Плавка стали в мартеновских печах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла - стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т.

Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь 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.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство 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, а в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Схема мартеновской печи

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 ⁰C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 ⁰C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 ⁰C 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 1800⁰C. 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.

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 мартеновским процессом.

Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой. В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание CaO в шлаке возрастает, а FeO уменьшается.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.

Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей - ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах. Низкоуглеродистые стали 05 кп, 08, 10, 10 пс обладают малой прочностью высокой пластичностью. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей - шайб, прокладок и т.п.

Инструментальная углеродистая сталь. Свойства углеродистых инструментальных сталей

мартеновский печь сталь металл

Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45 применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки.

В нормализованном состоянии по сравнению с низкоотпущенным обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу.

Цементуемые стали. Улучшаемые стали. Улучшаемые легированные стали. Улучшаемые конструкционные стали. Термообработка улучшаемых сталей. Высокопрочные стали. Высокопрочные конструкционные стали. Получение высокопрочных сталей. Свойства высокопрочной стали. Мартенситно-стареющие стали.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70,75 используются как рессорно-пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии - для прокатных валков, шпинделей станков.

Достоинства углеродистых качественных сталей - дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм.

В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора. Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников. Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. Статическом нагружении - нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. Динамическом нагружении - нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. Повторно, переменном или циклическим нагружении - нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

Прочность - способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца Дl (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. Дl = f(P).

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения Дl от напряжения д.

Рисунок 1 - Диаграмма растяжения материала

а - абсолютная, б - относительная; в - схема определения условного предела текучести

Проанализируем процессы, которые происходят в материале образца при увеличении нагрузки.

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности.

Предел пропорциональности (у_пц) - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа.

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации (у_0.05).

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести у_m - это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести у_0.2 - это напряжение вызывающее остаточную деформацию д = 0.20%.

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести. Равномерная по всему объему пластическая деформация продолжается до значения предела прочности. В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка - сильное местное утомление образца.

Предел прочности у_в - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом. Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению - это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рисунок 2).

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Рисунок 2 - Истинная диаграмма растяжения

F_к - конечная площадь поперечного сечения образца.

Истинные напряжения S_i определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения в данный момент времени.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность - способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Горячая обработка металлов давлением. Холодная обработка металлов давлением

Характеристики:

· относительное удлинение:

l_о и l_к - начальная и конечная длина образца;

Дl_ост - абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

· относительное сужение:

F_о - начальная площадь поперечного сечения

F_к -площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Листовая штамповка - листовое штампование, изготовление полуфабрикатов, деталей и готовых изделий из листовых металлических заготовок деформированием их под действием давления.

Листовая штамповка возникла много столетий назад как способ изготовления одинаковых по форме и размерам деталей домашней утвари, украшений, оружия. Техническое и производственное совершенствование листовой штамповки получила во 2-й половине 19 в. в связи с массовым производством деталей вооружения, посуды (керосиновых ламп) и других предметов. Совершенствование технологии листовой штамповки обеспечивало значительное увеличение производительности и улучшение эксплуатационных показателей деталей. В начале 20 в. листовая штамповка сыграла исключительную роль в автомобилестроении (особенно и изготовлении кузовов); в 30-е гг. - в авиа- и судостроении и производстве бытовых машин; в 50-е гг. - в ракетостроении.

Детали, полученные листовой штамповкой, обладают высокой прочностью при относительно небольшой массе и отличаются рациональностью форм. Благодаря использованию пластических материалов листовая штамповка позволяет получать и сложные по форме тонкостенные детали, и массивные прочные детали, которые не могут быть получены иным способом (например, листовой штамповкой можно изготовить стрелку ручных часов и пятиметровый лонжерон грузового автомобиля). Листовая штамповка деталей в сочетании со сваркой позволяет производить неразъемные узлы практически неограниченных размеров (в вагоностроении, судостроении).

В качестве заготовок используют ленту, полосу, лист. Штампуют обычно холодные заготовки. При малой пластичности материала или при недостаточной мощности оборудования штампуют горячие заготовки. Основные операции листовой штамповки - разделительные и формоизменяющие.

· В результате разделительных операций деформируемая часть заготовки разделяется при сдвиге материала по заданному контуру. К ним относятся отрезка, разрезка, вырубка, пробивка, проколка, обрезка, надрезка и зачистка.

· В формоизменяющих операциях деформированная часть заготовки изменяет свои формы и размеры, материал перемещается без разрушения. К ним относятся гибка, скручивание, навивка, раздача, обжим, отбортовка, вытяжка, рельефная формовка и др.

Листовую штамповку осуществляют в штампах, состоящих, как правило, из неподвижной и подвижной половин, несущих рабочие части (матрицу и пуансон), при сближении которых помещенная между ними заготовка деформируется (рис.). Половины штампов закреплены в прессе. Неподвижная половина - на столе, подвижная - в ползуне (исполнительном механизме). Рабочие части штампов изготовляют из инструментальных сталей; при мелкосерийной штамповке деталей из алюминия и других мягких материалов применяют различные заменители (пластмассы, прессованную древесину и др.).

Вырубной штамп. Схема установки заготовки.

1 - штамп; 2 - матрица; 3 - пуансон; 4 - пуансонодержатель; 5 - верхняя плита; 6 - заготовка; 7 - вырубленная деталь

Для удешевления производства при малом объёме листовой штамповки деталей (особенно крупногабаритных) матрицу изготовляют из чугуна, стали или бетона, а пуансон заменяют водой или др. жидкостью, находящейся в контейнере, расположенном на матрице над заготовкой. В результате взрыва порохового заряда в воде создаётся давление на листовую заготовку и происходит её деформация по форме матрицы. Этот метод назван взрывным штампованием (см. Штамповка взрывом).

Используют также электрический разряд, действие которого на воду передаётся заготовке, - метод электролитической штамповки. Заготовки можно штамповать в штампе, который имеет одну рабочую часть (матрицу или пуансон). В этом случае для создания давления на заготовку используют разряд высоковольтных конденсаторов, в результате которого создаётся мощное быстроменяющееся магнитное поле, - метод электромагнитной штамповки.

Точность деталей, полученных листовой штамповкой (по большинству операций), оценивается 3-4-м классом, отдельные операции - зачистка, специальные приёмы вырубки и пробивки, вытяжка с утонением, калибровка обеспечивают 2-й класс. При холодной листовой штамповке качество поверхности листовых заготовок в большинстве случаев сохраняется, поэтому при штамповке из холоднокатаных материалов чистота поверхностей деталей - 6-8-го класса. Удельная прочность, характерная для заготовок из проката, после листовой штамповки не понижается, а, напротив, в результате некоторых формоизменяющих операций вследствие сопутствующего им упрочнения (см. Наклеп. Наклеп металла. Сущность явления наклепа.) материала повышается.

Стоимость деталей в основном слагается из стоимости материала и издержек на их изготовление. При листовой штамповке стоимость металлов в среднем составляет 80-85%, а издержки на изготовление - 15-20%. Разнообразие методов штамповки, применение различных по конструкции штампов (специальных и универсальных) и использование соответствующих материалов для их изготовления обеспечивают рентабельное производство одних и тех же деталей листовой штамповкой при любом объёме выпуска. Листовая штамповка - высокопроизводительный процесс, например на прессах с усилием 1 Мн (100 тс) при работе с ручной подачей заготовок из ленты часовая производительность составляет 600-800 деталей, а с валковой подачей - 3000-4000 и более.

Таким образом, листовая штамповка обеспечивает сведение сложных процессов производства к более простым, стабильную точность штампуемых деталей, изготовление деталей небольшим числом операций и переходов, низкие издержки производства, сохранение и в отд. случаях увеличение удельной прочности материала заготовки, низкую стоимость инструмента-штампа. Методами листовой штамповки получают детали и готовые изделия для многих отраслей народного хозяйства: приборостроения и судостроения, автомобильной и авиационной промышленности, часового производства и т.д. Для дальнейшего совершенствования листовой штамповки необходимы: более полная механизация и автоматизация мелкосерийного производства, применение автоматических линий прессов в массовом производстве, повышение стойкости и быстросменности штампов, повышение эффективности использования прессового оборудования, увеличение скорости деформирования в формообразующих операциях, снижение расхода металла.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии:

· зарождение трещины;

· ее распространение через сечение;

· окончательное разрушение.

Деформация металла. Физическая природа деформации металлов. Пластическая деформация металла. Природа пластической деформации

Различают хрупкое разрушение - отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Различают транскристаллитное разрушение - трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное - по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение - путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

По излому можно определить характер разрушения.

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

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

· расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Размещено на Allbest.ru