Производство железоуглеродистых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Производство чугуна и железа

1.1 Доменный процесс

1.2 Прямое получение железа

2. Производство стали

2.1 Производство стали в мартеновских печах

2.2 Способы производства стали в конвертерных печах

2.3 Производство стали в электропечах

2.4 Разливка стали

2.5 Способы повышения качества стали

Библиографический список

Введение

В настоящее время основными производителями и потребителями металлов являются такие страны, как США, Япония, Китай, Россия, Германия, Украина, Франция, Италия, Великобритания.

В мировой практике исторически сложилось деление металлов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные - нечерные (Non-ferrous metals, англ.; Nichteisenmetalle, нем.) или цветные металлы. Соответственно, металлургия часто подразделяется на черную и цветную. В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродукции.

Используемые в технике металлы получают из руд. Рудами называют природные образования, содержащие металлы в таких соединениях и концентрациях, при которых их промышленное использование техниче-ски возможно и экономически целесообразно.

По химическому составу преобладающих в той или иной руде мине-ралов различают руды силикатные, кремнистые, оксидные, сульфидные, карбонатные и смешанные.

По содержанию ценных компонентов различают руды богатые и убогие, бедные.

К рудам черных металлов обычно относят месторождения железа, марганца, хрома, титана и ванадия.

Современное металлургическое производство представляет собой комплекс различных производств, базирующихся на месторождениях руд и коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает:

– шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей;

– горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подго-тавливая их к плавке;

– коксохимические заводы (подготовка углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов);

– энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов;

– доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей;

– заводы для производства ферросплавов;

– сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные);

– прокатные цехи (слиток в сортовой прокат).

Основная продукция черной металлургии:

– чугуны: передельный, используемый для передела на сталь, и литейный, для производства фасонных отливок;

– железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

– ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и т.д.) для легированных сталей;

– стальные слитки для производства проката;

– стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, дисков (кузнечные слитки).

1. Производство чугуна и железа

При восстановлении железных руд осуществляется процесс получения либо чугуна, либо губчатого (кричного) железа или металлизованных окатышей (табл. 1).

Таблица 1

Способы получения железа из руды

Продукт	Сырье	Энергоносители и восстановители	Технологический способ и агрегат
Чугун	Кусковая железная руда, агломерат, окатыши, лом	Кокс, нефть, газ, угольная пыль	Доменная печь
Губчатое железо	Кусковая железная руда, окатыши, рудная мелочь	Уголь, газ, нефть	Шахтная печь
			Вращающаяся печь
			Агрегат восстановления в кипящем слое

1.1 Доменный процесс

Доменный цех завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее 3 доменных печей с воздухонагревателями и системой газоочистки (рис. 1). Запас шихты (кокса на 6-12 ч, агломерата или руды, а также флюсов на 1-2 суток работы печей) хранится в бункерах эстакады (общей для всех доменных печей). На многих металлургических заводах в состав доменного цеха входит так называемый рудный двор, где хранится основной запас железных руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. Формирование штабеля и забор из него материалов производятся с учетом усреднения руд. В доменном цехе имеются также машины для разливки чугуна.

Запасы сырых материалов создаются на складе, называемом рудным двором, который находится вблизи доменного цеха. На этом дворе складируют кусковую руду или окатыши, а также флюсы. С одной стороны, рудного двора находится разгрузочная эстакада, а с другой - бункера для приема шихты. Материалы доставляются на разгрузочную эстакаду в саморазгружающихся вагонах. Иногда для разгрузки предусматривают вагоноопрокидыватели, применение которых позволяет полностью механизировать разгрузку материалов. Руду, добавки, флюсы, окатыши, агломерат и кокс подают к печи разными способами. В соответствии с этим следует различить три подачи шихты. Первый поток - подача железорудных материалов, привозимых со стороны (руды, окатышей, известняка, марганцевой руды). Второй поток - подача агломерата, третий - подача кокса транспортером.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доменная печь (рис. 2) представляет собой печь круглого сечения шахтного типа; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя - преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте.

Шихта подается на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приемную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутье) от воздуходувных машин подается в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000-1200 °С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через летки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи.

Расстояние между осью чугунной летки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объем - полезным объемом доменной печи.

Современные крупные доменные печи имеют объем 2000-5000 м³.

Воздух для горения топлива вдувается через 14-36 фурм в верхнюю часть горна печи. Воздух нагревается в специальных воздухонагревателях. Каждую доменную печь обслуживают три-четыре автоматически переключающихся воздухонагревателя.

Применение высокотемпературного дутья привело к значительной интенсификации плавки. Температура дутья была повышена до 1200-1300 єС.

Значительный эффект дало повышение давления под колошником примерно до 2,5 атм., приводящее к уменьшению скорости газа, улучшению теплообмена и интенсификации физико-химических процессов. Крупнейшим усовершенствованием явилось обогащение дутья кислородом (до 30 %). Наибольший эффект дало комплексное использование этих мер при применении природного газа. Производительность печей повысилась примерно на 50 %, а расход кокса снизился на 25-30 %.

Доменная печь работает непрерывно в течение 5-10 лет. Для этого в нее загружают отдельными порциями (колошами) шихтовые материалы, периодически выпускают чугун и шлак, непрерывно удаляют доменные газы.

В современной доменной печи имеются два коксовых бункера, расположенных над скиповой ямой, и около трех десятков бункеров для руды, агломерата, флюсов и других материалов.

Под бункерами для кокса расположены дисковые грохота и весы. Доменная печь имеет скиповые подъемники для подачи материалов. Выгрузку материалов производят путем опрокидывания скиповой вагонетки в загрузочное устройство печи.

Загрузочное устройство состоит из двух воронок, закрытых двумя конусами. Из вагонетки шихту ссыпают в верхнюю малую воронку на конус. Затем конус опускается, и шихта падает в нижнюю воронку на нижний конус. При этом верхний конус поднимается, а нижний опускается, и шихта поступает на колошник.

Работа засыпного аппарата и скипового подъемника сблокирована и управляется автоматически с панельного щита.

Для сокращения расхода кокса в доменную печь центробежными воздуходувками подается горячий воздух при температуре 900-1100 °С. В качестве привода для воздуходувок применяют паровые турбины, работающие при давлении до 30 атм.

Исходные материалы, подаваемые в доменную печь, - топливо, руда, агломерат, флюсы, а также воздух - претерпевают физические и химические изменения. Соответственно, с температурными зонами в печи происходят следующие физико-химические процессы: горение топлива, удаление влаги, разложение карбонатов, восстановление железа и других элементов, науглероживание железа, плавление металла, образование и плавление шлака и др.

Загруженное в доменную печь топливо опускается до уровня фурм и сгорает в струе поступающего под давлением 1,5-2,0 атм. воздуха, нагретого до 800-1000 °С и выше по реакции.

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы - агломерат, кокс и др. - загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.

В доменной печи протекают следующие основные процессы:

– восстановление железа;

– восстановление окислов железа;

– науглероживание железа;

– восстановление окислов железа;

– восстановление химических элементов, содержащихся в примесях железных руд;

– шлакообразование.

Восстановление железа происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу (принцип А.А. Байкова):

Fe₂O₃ - Fe₃O₄ - FeO - Fe.

Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается водородом.

Восстановление окисью углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ - Q;

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.

Восстановление Fe₂O₃ начинается при сравнительно низких температурах (400-500 єС) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах 900-950 єС.

Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью углерода (например, 3Fe₂O₃ + Н₂ = 2Fe₃O₄ + Н₂О и т.д.).

Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи окисью углерода СО и водородом восстанавливается 60-80 % всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.

Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000 єС (зона распара печи) по реакции

FeO + C = Fe + CO - Q.

Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q;

CO₂ + C_кокса = 2CO₂ - Q;

FeO + C_кокса = Fe + CO₂ - Q.

Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только уг-лерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является окись углерода СО. Непосредственное восстановление окислов железа при кон-такте с углеродом кокса практически не происходит. В прямом восстанов-лении могут также участвовать водород и сажистый углерод.

Восстановление железа начинается при 400-500 єС и заканчивается при 1300-1400 єС (в распаре печи). При этих температурах железо (T_пл. = = 1539 єС) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.

Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500 єС на-ряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет окиси углерода СО по реакции

3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ + Q.

Карбид железа Fe₃С хорошо растворяется в твердом железе, и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147 єС при 4,3 %. В зонах печи с высокими температурами - обычно в нижней части шахты - начинается плавление сплава. Жидкий сплав - чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Как отмечалось выше, постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными - сера и фосфор.

Марганец - постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда.

Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа:

MnO₂>Mn₂O₃>Mn₃O₄>MnO.

Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции

MnO + C = Mn + CO - Q.

Эта реакция протекает при температурах выше 1100 єС с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25 % Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью.

Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO₂ или в виде силикатов (SiO₂? 2СaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO₂ по реакции

SiO₂ + 2С = Si + 2СО - Q.

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO₂ карбидом железа Fe₃C.

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 єС. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaO, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси - никель, ванадий, титан и т.д. - попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром - на 85-95 %, ванадий - на 70-80 %.

Фосфор находится в них главным образом в виде P₂O₅ ? 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Основное количество серы вносит кокс, часть - железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20 % серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне. В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции

FeS + CaO = FeO + CaO + Q.

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака. Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.

Часть серы удаляется с помощью магнезии MgO (содержащейся в шлаке), а также марганца по реакциям

FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = = Fe + MnS.

Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде MnS, т.к. растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2 % Mn.

Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO₃ (1 % от массы чугуна).

Сера удаляется по реакции

FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образующийся при этом сернистый натрий Na₂S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов.

Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO₂, A_l2O₃ и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси - сплавы с Т_пл = 1150-1200 ?С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна, и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50 % CaO; 38-40 % SiO₂; 7-10 % A_l2O₃.

Одна из важнейших характеристик шлака - его основность, отношение содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской практике основность нередко определяется упрощенно, как О_ш = %(CaO) / %(SiO₂).

При выплавке разных чугунов и ферросплавов ее значение колеблется в пределах 0,9-1,4. Как уже отмечалось, с увеличением основности шлака улучшаются удаление серы и восстановление марганца; для восстановления кремния основность должна быть уменьшена. В сложных процессах взаимодействия шлака с чугуном, коксом и т.п. большое значение имеет не только состав шлака, но и его количество, вязкость и другие свойства, температура в горне печи.

В настоящее время доменная печь как агрегат высокой произ-водительности и весьма экономичный не имеет конкурентов. Однако доменное производство имеет существенные недостатки: необходимость использования каменноугольного кокса; использование железорудного сырья в виде достаточно прочного материала (агломерата). Таким образом, для функционирования доменного производства необходимы добыча коксующих углей, коксохимическое производство, обогащение железных руд, агломерационное производство и т.д. Все это, помимо производственных затрат, связано с решением серьезных экологических проблем.

Поэтому возможность организации рентабельного процесса прямого получения железа непосредственно из руды, минуя доменную печь, представляет собой актуальную инженерную задачу.

1.2 Прямое получение железа

Основная масса железа, используемая человечеством, проходит через операцию восстановления из железной руды, проводимой в доменных печах. Производство стали с использованием чугуна не является экономически оптимальным, поскольку в доменной печи происходит науглероживание железа, а при плавке стали приходится этот углерод окислять. Значительно экономичнее прямое получение железа - непосредственное получение металлизованного продукта (металлизованных окатышей, губчатого (кричного) железа) восстановлением из руды с помощью водорода и моноокиси углерода. В этом случае производят конверсию природного газа по реакции

{СН₄} + {СО₂} = 2{Н₂} + 2 {СО}.

Получаемый в результате конверсии газ содержит 65 % Н₂ и 35 % СО. Восстановление железной руды происходит и водородом

н₂ н₂ н₂

Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > FeO > Fe,

и моноокисью углерода по реакциям восстановления железа:

3<Fe₂O₃> + {СО} = 2<Fe₃О₄> + {СО₂},

?G⁰(Т) = - 33,0 - 53,85·10^-3·Т, кДж/моль;

<Fe₃O₄> + {СО} = 3<FeO> + {СО₂},

?G⁰(Т) = 29,8 - 11,6·10^-3·Т, кДж/моль;

<FeO> + {СО} = <Fe> + {СО₂}, ?G⁰(T) = 17,5 - 21,5·10^-3·T, кДж/моль.

Получаемые окатыши содержат 95 % Fe и ~1 % С, мало серы и при-месей цветных металлов. При прямом восстановлении пустая порода не восстанавливается вместе с рудой, как при доменном процессе, а остается в губчатом железе и отделяется только в процессе получения стали. Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чистоты по примесям цветных металлов.

В связи с ужесточением экологического контроля металлургического производства и необходимостью иметь шихтовые материалы, чистые от примесей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непрерывно растут. Одновременно расширяется и фронт исследовательских работ в этом направлении.

2. Производство стали

Современные методы получения горячей деформации стали обязаны изобретению способа ее получения в жидком состоянии. До середины XIX в. сталь, поддающуюся ковке, изготавливали кричным или пудлинговым способами в виде небольших по размеру кованых заготовок, заключающих в себе остатки шлака. Продувка чугуна по методу Бессемера и (позднее) по методу Томаса в конвертере с основной футеровкой создала предпосылки для переработки фосфористого чугуна в сталь и тем самым заложила основы современного сталелитейного производства. Выплавка с верхним дутьем по способу Сименса и Мартена позволила получать сталь с более высокой чистотой и однородностью свойств и дала возможность влиять на химический состав отдельных плавок. Масса плавок по мере развития этих методов постоянно увеличивалась, и это создавало возможность поставки продукции прокатного производства в виде полуфабрикатов все более крупных размеров и массы. Резко снизить содержание азота в стали позволило применение кислородного дутья при получении стали кислородно-конвертерным методом. Применение специальных методов выплавки и переплавных процессов, например, в электропечах, позволяет изготавливать стали, отвечающие особо высоким требованиям к однородности свойств и чистоте от неметаллических включений.

Сталь производят в конвертерах, мартеновских, электродуговых или индукционных печах (табл. 2).

Таблица 2

Технологические способы производства стали

Конвертеры	Бессемеровский, или томасовский, конвертер (воздушноедутье)	Кислородное дутье
		Верхнее дутье	донное дутье	комбнированное дутье	нижнее дутье
Мартеновская печь
Электродуговая печь
Индукционная печь

В качестве исходных материалов (шихты) при производстве стали используются жидкий или твердый чугун, стальной лом, губчатое железо, металлизованные окатыши, мягкое железо, раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы.

Шихта - смесь материалов, составленная в определенной пропорции для пеработки в металлургической печи.

Раскисление - это процесс восстановления, удаление растворенного в металле кислорода.

Легирование - доведение химического состава стали до заданного.

Раскислители и легирующие являются присадками, добавляемыми в шихту, шлак или металлический расплав с целью проведения соответствующего процесса.

Мягкое железо выплавляется по заказу в мартеновских или электросталеплавильных печах и применяется при выплавке легированных сталей для снижения общего содержания углерода.

В качестве шлакообразующих используются: известняк ? 97 % СаСО₃; известь СаО; плавиковый шпат CaF₂; боксит 20-60 % А1₂О₃ + 3-20 % SiO₂ + 15-45 % Fe₂O₃ и бокситы с ? 50 % Аl₂О₃ и Al₂O₃: SiO₂ ? 12; песок 95-96 % SiO₂; кварцит 96-97 % SiO₂; шамотный бой 60 % SiO₂ + 35 % Аl₂О₃.

Технологическая схема сталеплавильного производства показана на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессы, происходящие при плавке стали, носят окислительно-восстановительный характер. В восстановительный период происходит десульфурация расплава (удаление из расплава серы) за счет связывания ионов серы кальцием в шлаке.

2.1 Производство стали в мартеновских печах

В период до 70-х гг. мартеновский процесс являлся основным спосо-бом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла - стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь. Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной печи, оборудованной генераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа).

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун и скрап любого состава и в любой пропорции. В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые - кислым.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой. В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

Кислые мартеновские стали содержат меньшие количества водорода, кислорода и неметаллических включений, а значит имеют более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность.

Кислую мартеновскую сталь применяют для изготовления коленчатых валов различных двигателей, роторов крупных турбин электростанций, шариковых и роликовых подшипников большого диаметра, артиллерийских орудий и других изделий ответственного назначения. Стабильность технологии и незначительное содержание вредных примесей в кислой стали дают возможность получать крупные слитки для поковок весом 200 и более тонн с минимальным развитием неоднородности состава и свойств по высоте и поперечному сечению.

Несмотря на высокие качества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, т.к., во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплавляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуговых электропечах, и, во-вторых, стоимость кислой мартеновской стали значительно выше (в 1,5-2,0 раза), чем основной, т.к. в мартеновском кислом процессе применяют шихтовые материалы с малым количеством примесей, что приводит к удорожанию шихты в два с лишним раза, в сравнении с шихтой, используемой в основных мартеновских печах, а как известно, стоимость шихтовых материалов составляет 65-75 % от себестоимости готовой стали. Кроме того, производительность мартеновских печей значительно ниже, чем основных. (Более продолжительные периоды заправки и доводки плавки, меньшие тепловые нагрузки из-за опасения снизить стойкость свода, изготовленного из кислых огнеупорных материалов.)

Мартеновская печь (рис. 4) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками.

Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор - камера, в которой размещена насадка - огнеупорный кирпич, выложенный в клетку; предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 єC. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 єC. Через один из регенераторов подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до 1200 єC и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направляются во второй регенератор. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 єC. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке. Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей - до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт - 400…600 плавок.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

– производительность печи - объем стали с 1 м² площади пода в сутки, т/м² в сутки (в среднем составляет 10 т/м²);

– расход топлива на 1 т выплавляемой стали, кг/т (в среднем 80 кг/т).

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

2.2 Способы производства стали в конвертерных печах

Изобретателем конвертерного способа считают англичанина Г. Бессемера, впервые осуществившего в 1854-1856 гг. получение стали без расхода топлива, продувкой воздуха через расплавленный чугун.

Конвертерное производство стали постоянно совершенствовалось. Важным этапом, обеспечившим конвертерным способам широкое применение, явилась замена воздушного дутья кислородным.

Конвертером принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость современных конвертеров достигает 250-400 т. Конвертер имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое днище и конусообразную горловину. Конвертер может наклоняться, что необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выпуска готовой стали и т.д.). На большинстве заводов используют глуходонные конвертеры (рис. 5), футерованные смолодоломитовым или магнезитохромитовым кирпичом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпуск металла не через горловину, а через верхнюю летку предохраняет его от поглощения азота, так как вся поверхность стали в конвертере в это время закрыта слоем шлака.

При получении стали в конвертерах раскисление наиболее часто ведут марганцем и кремнием, а точнее их сплавами с железом - ферромарганцем и ферросилицием. Марганец и кремний реагируют с растворенным кислородом; их оксиды с оставшимися оксидами железа образуют жидкую шлаковую фазу, что помогает вывести продукты окисления из металла. Часть раскислителей вводят иногда в конвертер непосредственно перед разливкой. Завершается раскисление обычно в разливочном ковше во время выплавки металла.

В зависимости от технологии подачи в конвертер кислорода различают следующие кислородно-конвертерные процессы:

– с верхней продувкой;

– нижней продувкой;

– донной продувкой;

– комбинированной продувкой.

Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали в конвертере составляет 50-60 м³, что незначительно превышает расчетное количество. Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа; угар металла составляет 6-9 %, что значительно больше, чем при других способах получения стали. Это требует обязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительных установок.

2.3 Производство стали в электропечах

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

– легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

– можно получать высокую температуру металла;

– возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических вклю-чений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи. Схема дуговой печи показана на рисунке 6.

Дуговая печь питается от трехфазной сети переменного напряжения. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закрепленных в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключен в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съемный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5-400 т. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных - с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава);

б) углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. В итоге получают легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500-1540 єC загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали - конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные. При выплавке легированных сталей в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В индукционных тигельных плавильных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы. Их вместимость составляет от десятков килограммов до 30 т.

Схема индукционной тигельной печи представлена на рисунке 7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла печь имеет съемный свод 2.

Тигель изготавливают из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют в сторону сливного желоба.

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла SiO₂. Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия. В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой - конструкционные, легированные другими элементами стали.

При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры, что позволяет получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, т.к. отсутствует науглероживающяя среда, сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

2.4 Разливка стали

чугун железо сталь руда

Применяют два основных способа разливки стали: разливка в изложницы; непрерывная разливка.

Разливку в изложницы подразделяют на разливку сверху и сифоном (рис. 8). При разливке сверху сталь непосредственно из ковша 1 поступает в изложницы, устанавливаемые на чугунных плитах - поддонах. После наполнения каждой изложницы штопор ковша закрывают, ковш транспортируют к следующей изложнице, вновь открывают стопор и после заполнения сталью новой изложницы цикл повторяют. Этот способ применяется для разливки углеродистых сталей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При сифонной разливке, основанной на принципе сообщающихся сосудов, сталью одновременно заполняют несколько изложниц. Используют этот способ для разливки легированных и высококачественных сталей.

Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в установленный на поддоне 6 футерованный изнутри огнеупорными трубками 4 центровой литник 3, а из нее по футерованным каналам 7 в изложницы 5 снизу. После наполнения всех установленных на поддоне изложниц стопор закрывают, и ковш транспортируется к следующему поддону.

Оба способа разливки стали в изложницы имеют ряд преимуществ и недостатков.

Сифонная разливка имеет следующие преимущества:

– одновременная отливка нескольких слитков сокращает длительность разливки плавки и позволяет разливать в мелкие слитки плавки большой массы;

– скорость подъема металла в изложнице может быть значительно меньшей, чем при разливке сверху;

– поверхность слитка получается чистой;

– повышается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы стопора и шиберного затвора;

– во время разливки можно регулировать скорость заполнения из-ложницы.

К недостаткам сифонной разливки можно отнести:

– сложность и повышенную стоимость разливки, обусловленные расходом сифонного кирпича, установкой дополнительного оборудования и значительными затратами труда на сборку поддонов и центровых литников;

– дополнительные потери металла в виде литников и возможность потерь при прорыве металла через сифонные кирпичи;

– необходимость нагрева металла в печи до более высокой темпе-ратуры.

В свою очередь, преимуществами способа разливки сверху являются:

– более простая подготовка оборудования к разливке и меньшая сложность разливки;

– отсутствие расхода металла на литники;

– температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной.

При этом присущие способу недостатки:

– образование пленки на поверхности нижней части слитков;

– большая длительность разливки.

Способ непрерывной разливки (рис. 9) заключается в том, что жидкую сталь из ковша 1 через промежуточное разливочное устройство 2 непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна - кристаллизатор 3, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку - стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора.

Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает. Образующаяся корка соединяет металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов 6, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов 6 затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал 4.

Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком 7 на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины.

2.5 Способы повышения качества стали

Улучшить качество металла можно уменьшением в нем вредных примесей, газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют: обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, переплав металла в электронно-дуговых и плазменных печах и т.д.

Вакуумная дегазация проводится для уменьшения содержания в металле газов и неметаллических включений.

Вакуумирование стали проводят в ковше, при переливе из ковша в ковш, при заливке в изложницу. Для вакуумирования в ковше ковш с жидкой сталью помещают в камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. Вакуумными насосами создают разрежение до остаточного давления 0,267…0,667 кПа. При понижении давления из жидкой стали выделяются водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. Улучшаются прочность и пластичность стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей.

Схема электрошлакового переплава представлена на рисунке 10. Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700 єC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов.

Металлическая ванна пополняется путем расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы - в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 т.

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений. Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. Катод изготовляют механической обработкой слитка, выплавляемого в электропечах или установках ЭШП.

Схема вакуумно-дугового переплава представлена на рисунке 11.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2, помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. При этом неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала.

Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Библиографический список

1. Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для студентов немашиностроит. спец. / А.М. Пейсахов, А.М. Кучер. - 2-е изд. - СПб. : Изд-во Михайлова, 2008. - 408 с. : ил.

2. Материаловедение [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Б.Н. Арзомасов [и др.] ; отв. ред. Б.Н. Арзомасов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во МГУ им. Баумана, 2010. - 512 с. : ил.

3. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) [Текст] : учебник для нач. проф. образования / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - 2-е изд., стер. - М. : Академия, 2009. - 240 с. : ил.

4. Материаловедение и технология металлов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.] ; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 3-е изд., испр. и доп. - М. : Высш. шк., 2009. - 862 с. : ил. - Библиогр. : с. 849-854.

5. Технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / А.М. Дальский [и др.] ; под ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Маши-ностроение, 2010. - 512 с. : ил.

6. Материаловедение и технология металлов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.] ; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 2-е изд., испр. и доп. - М. : Высш. шк., 2008 - 638 с. : ил.

7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для вузов. В 2 т. Т. 2. Технологии получения и обработки материалов. Материалы как компоненты оборудования / под ред. В.С. Чередниченко. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. - 508 с. : ил.

8. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов / под ред. В.С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. - М. : Омега-Л, 2008. - 752 с. : ил.

9. Рогачева, Л.В. Материаловедение [Текст] : учебник для сред. проф. образования / Л.В. Рогачева. - М. : Колос-Пресс, 2010. - 136 с. : ил.

10. Материаловедение [Текст] : практикум для студентов технических вузов / под ред. С.В. Ржевской. - М. : Университетская книга, Логос, 2009. - 272 с. : ил.

11. Гуляев, А.П. Металловедение [Текст] : учебник для вузов / А.П. Гуляев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 2010. - 544 с. : ил.

12. Дриц, М.А. Технология конструкционных материалов и мате-риаловедение [Текст] : учебник для студентов немашиностроит. спец. вузов / М.А. Дриц, М.А. Москалев. - М., 2010. - 447 с. : ил.

13. Общая металлургия [Текст] : учебник для вузов / В.Г. Воскобойников [и др.] ; под ред. В.Г. Воскобойникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 2008. - 768 с. : ил.

14. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы [Текст] : учеб.-метод. пособие / составители Ю.Е. Чертов, О.В. Жданова, В.И. Гомель. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - 50 с. : ил.