Производство стали и образование шлаков
Понятие, сущность и значение металлургии стали, основные этапы развития сталеплавильного производства. Классификация и характеристика стали. Специфика, роль и описание сталеплавильных шлаков, их образование, описание физических и химических свойств.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.05.2015 |
| Размер файла | 73,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Основные понятия и определения
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерод содержится от сотых долей до 2 %. Помимо этого, в стали содержатся также марганец, кремний, сера, фосфор и другие химические элементы.
Металлургией стали называется наука о способах получения стали с заданными свойствами в количествах, имеющих промышленное значение.
Сталь является основным конструкционным материалом, поскольку:
1. обладают такими полезными свойствами, как способность к упругим и пластическим деформациям, высокая прочность, электрическая проводимость, теплопроводность и другие особенности.
2. Железо, являющееся основой стали имеет значительное распространение в земной коре (5,9 %) в виде железосодержащих минералов, называемых рудами и сравнительно легко извлекается из руд.
Таким образом, можно сказать, что на ближайший обозримый период времени сталь останется основным конструкционным материалом.
1.1 Основные этапы развития сталеплавильного производства
Металлургия стали как производство возникла около 3,5 тыс. лет назад в северной Африке (Египет, Сирия). В процессе развития сталеплавильнго производства основные агрегаты для выплавки стали и технология производства претерпели значительные изменения: прямое получение железа из руды в сыродутных горнах с получением кричного железа, получение стали окислительным плавлением чугуна на поду специальной пудлинговой печи (от англ. puddle -- месить, перемешивать), тигельный процесс, конвертерный и мартеновский процессы, электрометаллургия стали, переплавные процессы (вакуумно-индукционный переплав (ВИП), вакуумно-дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой ПДП и др.), внепечная обработка стали.
В настоящее время мировое производство стали достигает примерно 750 млн. т. основными способами производства являются кислородно-конвертерный ( 50%), электросталеплавильный (~20%) и мартеновский (<30%); ~ 2% стали производят в электропечах с использованием материалов, полученных на установках прямого восстановления.
При мартеновском, конвертерном и электродуговом способах производства стали получение металла осуществляется в две стадии: 1) восстановление в доменных печах железа из руды, т.е. получение чугуна; 2) окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы, т.е. получение из чугуна стали требуемого состава.
1.2 Классификация сталей
Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.
По способу производства сталь может быть тигельной, кислой и основной мартеновской, бессемеровской, томасовской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами.
По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:
1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства здании, мостов, различных машин и т. п.).
2. Топочная и котельная сталь -- низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок.
3. Сталь для железнодорожного транспорта -- рельсовая мартеновская и конвертерная сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.
4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.
5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.
Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и др.
По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фосфора не должно превышать 0,055--0,060, в качественных сталях -- не более 0,040--0,045, в высококачественных -- не более 0,020-- 0,030 % (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допускается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).
По химическому составу различают:
1) сталь с низким содержанием примесей, или так называемое технически чистое железо, так как суммарное содержание других элементов составляет всего лишь около 0,1%;
2) Углеродистая сталь -- сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на низкоуглеродистую (0.25 % С); среднеуглеродистую (0,25- 0,60 % С); высокоуглеродистую (0,6-2,0 % С).
3) Легированная сталь -- сталь, содержащая, помимо углерода, другие легирующие компоненты, которые в свою очередь делят на низколегированные стали (до 10 % ЛЭ); средне (10-20% ЛЭ) и высоколегированные стали (более 20%)..
Для легированных сталей применяются следующие буквенные обозначения элементов: углерод - У; марганец -- Г; кремний -- С; никель -- Н; вольфрам -- В; молибден -- М; хром -- X; ванадий -- Ф; алюминий -- Ю; титан -- Т; медь -- Д;
В обозначении легированных марок стали применяют в определенных сочетаниях цифры и буквы. Принцип маркировки стали: цифры до букв означают содержание углерода в сотых долях процента (если менее 0,08 %, то 0), буквы -- наименование легирующего элемента, а цифра после букв--содержание легирующего элемента в процентах (если оно превышает 1,5 %).
Марки конструкционной стали обыкновенного качества обозначают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначениями качественных конструкционных сталей служат: 10, 20, 45 и т. д. Качественная углеродистая сталь обозначается У7, У8, ..., У12, где буква У -- углеродистая, а цифра -- содержание углерода в десятых долях процента.
Стали специального назначения обозначаются следующим образом: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая инструментальная сталь, Ш - подшипниковые стали, Э - электротехнические стали, Е - для постоянных магнитов, ЭП - экспериментальные стали.
В зависимости от микроструктуры стали бывают перлитные, мартенситные, аустенитные или ферритные.
По степени раскисленности: спокойные, кипящие и полуспокойные. Поведение металла в изложницах зависит от степени его раскисленности -- чем полнее раскислена сталь (удален кислород), тем спокойнее кристаллизуется слиток (раскислением стали называют процесс удаления из металла растворенного в нем кислорода). Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсюда название стали). Наоборот, спокойная сталь кристаллизуется без видимых эффектов, спокойно.
1.3 Сталеплавильные шлаки
Шлак, представляющий собой сплав оксидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и др. соединений и является неизбежным побочным продуктом любого современного способа производства стали в открытых агрегатах.
Образование шлака обусловлено:
1. во-первых, с обязательным окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием при этом различных нелетучих (шлакообразующих) оксидов, имеющих меньшую плотность, чем металл, и собирающихся на поверхности металла;
2. во-вторых, с неизбежным разрушением футеровки в условиях высоких температур под действием оксидов, образующихся в результате окисления компонентов металлической фазы.
3. в-третьих, попаданием в ванну оксидов извне с неметаллическими шихтовыми материалами (флюсов и твердых окислителей), загрязнениями (мусора) лома и миксерного или доменного шлака.
Источники образования шлака
1. Продукты окисления примесей чугуна и лома -- кремния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (SiO2, MnO, Р2О5, FeS, MnS, Сr2О3 и др.).
2. Продукты разрушения футеровки агрегата -- при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgO, при разъедании кислой (динас) -- SiO2.
3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), --SiO2, Аl2О3, MnS и т.п.
4. Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, -- оксиды железа.
5. Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.) -- СаО, Аl2О3, SiO2, FeO, Fe2О3, MnO, CaF2 и т. п.
Роль шлаков противоречива, поскольку она может быть как полезной (положительной), так и вредной (отрицательной).
Положительное значение шлаков состоит в способности поглощать фосфор (дефосфорация) и серу (десульфурация) из металла. Такими свойствами обладают только основные шлаки, в которых преобладает содержание основных оксидов, прежде всего СаО.
В подовых процессах, т. е. в процессах, осуществляемых в мартеновских, двухванных и электродуговых печах, положительная роль шлаков выражается также в защите металла от поступающих из атмосферы печи вредных примесей, главным образом газов.
Отрицательное значение шлаков в основном выражается в следующем: 1) разрушающем действии на футеровку агрегата; 2) увеличении потери (угара) полезных примесей в процессе окислительного рафинирования, а также раскисления и легирования; 3) увеличении потери железа в виде оксидов и корольков, содержащихся в шлаке. Указанные отрицательные действия шлаков на ход и результаты плавки в той или иной степени проявляются в любых сталеплавильных процессах. Установление оптимального шлакового режима плавки должно означать обеспечение возможно большего проявления положительной их роли и меньшего - отрицательной.
Состав шлаков
Строение шлаков и их основные физико-химические свойства определяются содержанием в них различных оксидов, которое условно принято называть химическим составом шлака.
Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (SiO2, P2О5)-- кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми (например, основной мартеновский процесс, кислый мартеновский процесс). Если футеровка выполнена из кислого (кремнеземистого) материала, то шлак должен быть также кислым, т. е. главным компонентом должен быть SiO2, иначе разрушающее действие шлака на футеровку может оказаться очень значительным. В агрегатах, имеющих основную (магнезитовую или доломитовую) футеровку, плавку можно вести только под основными шлаками, главным компонентом которых является CaO.
Химические свойства шлаков:
1. Основность шлака
Существует множество показателей характеризующих основность шлака, но любая из них прежде всего должна позволять оценить фосфоро- и серопоглотительную способность шлака.
При переделе малофосфористых чугунов за показатель основности шлака принимают отношение: В= (CaO)/(SiO2), при переделе высокофосфористых чугунов - В = (CaO)/(SiO2 + P2О5).
Шлаки, в которых отношение (CaO/SiO2) < 1,6 называют низкоосновными; у шлаков средней основности CaO/SiO2 == 1,6--2,5; у высокоосновных шлаков (CaO/SiO2) > 2,5.
Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного окисла SiО2 и некоторого количества таких основных окислов, как FeO и MnO. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кислотности (или просто «кислотностью»), выражаемой обычно отношением SiО2/(FeO + MnO).
2. Окисленность шлака - это способность его оказывать окислительное воздействие на металлическую фазу, передавая кислород в эту фазу.
В общем случае окислительная способность шлака находится в сложной зависимости от содержания в нем оксидов железа (FeO), его основности (В), концентрации углерода в металле ([С]) и температуры ванны. Окислительная способность шлака возрастает по мере повышения содержания оксидов железа в нем, концентрации углерода в металле и температуры и снижения основности шлака до 1,7-1,8.
В качестве меры окисленности шлака в производственных условиях обычно принимают или содержание (в %) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + Fе2О3, или содержание в шлаке железа.
металлургия сталь шлак
Физические свойства шлаков определяют поведение шлаков в процессе плавки
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Температура плавления шлаков
Температура плавления шлаков (шлаки имеют многокомпонентный состав и плавятся в интервале температур, т.е. имеют начало и конец плавления. Здесь и в дальнейшем имеется в виду температура конца плавления шлаков) является их основной физической характеристикой, определяющей другие важные физико-химические свойства. Это связано с тем, что в любом сталеплавильном агрегате в каждый период плавки температура металла и шлака изменяется в узких пределах, поэтому перегрев шлаков выше температуры плавления в основном определяется температурой плавления. Степень перегрева шлака определяет поведение шлака, его физические свойства (вязкость, электрическую проводимость) и химическую активность (рафинирующее действие на металл, поглощение газов из газовой фазы и т.д.). На температуру плавления шлака может влиять любой его компонент. Однако, как показывают исследования, для обычных окислительных шлаков первостепенное значение имеет изменение содержания SiO2 (см. рисунок 1).
Наиболее легкоплавкие шлаки (tпл = 1200-1300°С) содержат 30-40% SiO2. Как снижение, так и увеличение содержания SiO2 в шлаке выше указанных пределов приводит к повышению температуры плавления.
Содержание SiO2 равное 30-40%, обычно наблюдается в начале плавки как в основных, так и в кислых процессах. По ходу плавки в основных процессах содержание SiO2 снижается, а в кислых процессах повышается, поэтому температура плавления шлаков по ходу плавки обычно повышается.
Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие Al2O3, SiO2, Fе2О3), плавикового шпата (CaF2), боя шамотного кирпича (SiO2, Al2O3), в некоторых случаях песка (SiO2).
2. Вязкость шлаков
Вязкость шлака является важнейшим из свойств. Повышенная вязкость шлака затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление всех процессов нагрева и рафинирования металла, приводит к излишнему угару раскисляющих и легирующих присадок, уменьшает выход годной стали. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.
Зависимость вязкости шлаков периода плавления в основной мартеновской печи от температуры приведена на рисунке 2, из которого видно, что в области умеренно низких температур начала плавки (вблизи температуры плавления) вязкость шлаков высока и возрастает при увеличении их основности. Значения вязкости нормальных шлаков по ходу плавки обычно находятся в пределах 0,1-0,3.
Компонентами шлака, резко повышающими его вязкость, прежде всего являются МgО (> 10-12%) и Сг2О3 (>5-6%); эти компоненты при содержаниях выше указанных пределов обогащают шлак мелкодисперсными частицами.
Вязкость основных шлаков существенно снижается при введении 2-5% CaF2 5-7% Al2O3, 5-7% Na2O или К2О.
3. Вспенивание шлака
Вспенивание шлака вызывают мелкие пузыри СО, образующиеся в результате окисления углерода металла и остающиеся в шлаке ввиду того, что архимедова (подъемная) сила из-за большой удельной поверхности оказывается недостаточной для преодоления сопротивления (силы трения) шлакового расплава.
Некоторое, не чрезмерное вспенивание шлака в кислородных конвертерах с верхней подачей дутья играет положительную роль - повышается и стабилизируется усвоение кислорода ванной, создаются препятствия выпуску из конвертера капель металла и поглощению азота из подсасываемого через горловину воздуха. Чрезмерное вспенивание приводит к выбросам значительных объемов шлака из любого агрегата, что недопустимо. В мартеновских печах даже умеренное вспенивание, не приводящее к выбросам шлака, нежелательно, поскольку пенистый шлак, обладая низкой теплопроводностью, ухудшает теплопередачу от факела к металлу, что вызывает удлинение плавки и повышение износа футеровки, особенно свода печи, поскольку значительная часть неусвоенного металлом тепла поглощается футеровкой, а это приводит к ее перегреву.
Причиной чрезмерного вспенивания шлака могут быть повышенное содержание в шлаке SiO2 и Р2О5 образующие поверхностно-активные анионы SiO44- и РО43-, которые повышают устойчивость пены. Аналогичное действие оказывает наличие в шлаке очень мелких твердых частиц, которые повышают механическую прочность шлаковых пленок (служат "каркасом").
Для снижения склонности шлака к чрезмерному вспениванию из-за наличия в нем очень мелких твердых частиц необходимо повышение температуры, которое обеспечивает растворение твердых частиц в шлаке. Если же чрезмерное вспенивание вызывается повышенным содержанием в шлаке SiO2 и Р2О5, то необходимо повысить основность шлака присадкой в ванну извести, еще лучше присадка CaF2, и оксидов щелочных металлов.
Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки
Основными параметрами, определяющими шлаковый режим плавки, являются основность и количество шлака. Оптимальный шлаковый режим достигается одновременным изменением и химического состава (основности), и количества шлака. Если по условиям ведения плавки (высокое качество исходного сырья, умеренные требования к качеству стали и т.п.) нет необходимости в специальных мерах для удаления из металла серы или фосфора, то основность шлака должна обеспечивать предотвращение чрезмерного разрушающего действия шлака на футеровку агрегата. Для выполнения этого требования достаточно иметь основность конечного шлака 2,2-2,4. Если по ходу плавки требуется принятие специальных мер для удаления серы и фосфора, то основность шлака должна обеспечивать максимальное поглощение шлаком этих примесей. Этому требованию соответствуют конечные шлаки с основностью 2,7-3,3 в мартеновском процессе и 3,0--4,0 в кислородно-конвертерном процессе.
Если за счет повышения основности шлака не удается провести рафинирование металла, прибегают к увеличению его количества, путем «скачивания» отработанного шлака и «наведения» нового шлака. Поскольку наведение дополнительного шлака удлиняет плавку и ведет к дополнительным потерям металла, стараются вести процесс в одношлаковом режиме.
Литература
1. Металлургия стали./ Под ред. Явойского В.И. и Кряковского Ю.В. М.: Металлургия, 1984. - С.125-187.
2. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. - С.14-47.
3. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали. Бигеев. А.М., Бигеев В.А. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - С.342-352.
4. Дюдкин, Д.А. Современная технология производства стали. / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. М.: Теплотехника, 2007. - 528 с.
5. Металлургия стали / Явойский, В.И., Кряковский, Ю.В., Григорьев, В.П. и др. - М.: Металлургия, 1983. - 584с.
6. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов.- М.: "Мир", ООО "Издательство АСТ", 2003. - 528 с.
7. Чалмерс, Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. - 280 с.
8. Колосов, М.И., Смирнов, Ю.Д. и др. Сменное оборудование для разливки стали. - Челябинск, 1961. - 320с.
9. Технология производства стали в современных конвертерных цехах / Колпаков, С.Ф., Старов, Р.В., Смоктий, В.В. и др. - М.: Металлургия, 1991. - 464с.
10. Развитие технологии непрерывной разливки ста¬ли. Лякишев, Н.П., Шалимов, А.Г. М.: ЭЛИЗ, 2002. - 208 с.
11. Емельянов, В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. - М.: Металлургия, 1988. - 143с.
12. Журавлев, В.А., Китаев, Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. - М.: Металлургия, 1974. - 216с.
13. Литвин, А.В., Мазур, В.Л., Темошенко, В.Л. Разработка литейно-прокатных комплексов для производства листовой стали, тонких слябов и лент за рубежом. Черная металлургия, 1990, №4. - С.23-31.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Металлургия стали как производство. Виды стали. Неметаллические включения в стали. Раскисление и легирование стали. Шихтовые материалы сталеплавильного производства. Конвертерное, мартеновское производство стали. Выплавка стали в электрических печах.
контрольная работа [37,5 K], добавлен 24.05.2008Основные способы производства стали. Конвертерный способ. Мартеновский способ. Электросталеплавильный способ. Разливка стали. Пути повышения качества стали. Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата. Производство стали в вакуумных печах.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 02.01.2005Производство стали в кислородных конвертерах. Легированные стали и сплавы. Структура легированной стали. Классификация и маркировака стали. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Термическая и термомеханическая обработка легированной стали.
реферат [22,8 K], добавлен 24.12.2007Сравнительная характеристика физико-химических, механических и специфических свойств продуктов черной металлургии - чугуна и стали. Виды чугуна, их классификация по структуре и маркировка. Производство стали из чугуна, ее виды, структура и свойства.
реферат [36,1 K], добавлен 16.02.2011Классификация и маркировка стали. Характеристика способов производства стали. Основы технологии выплавки стали в мартеновских, дуговых и индукционных печах. Универсальный агрегат "Conarc". Отечественные агрегаты ковш-печь для внепечной обработки стали.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 11.08.2012Характеристика рельсовой стали - углеродистой легированной стали, которая легируется кремнием и марганцем. Химический состав и требования к качеству рельсовой стали. Технология производства. Анализ производства рельсовой стали с применением модификаторов.
реферат [1022,5 K], добавлен 12.10.2016Физико-механические свойства металлургических шлаков. Производство пемзы из доменного шлака. Анализ переработки сталеплавильных шлаков. Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков. Способы грануляции шлака.
реферат [1,2 M], добавлен 14.10.2011Классификация и маркировка углеродистой стали. Основные представления о структуре металлов и сплавов. Изготовление металлографических шлифов. Термическая обработка стали: отжиг, закалка и отпуск. Макроскопический анализ ее излома, механические свойства.
контрольная работа [2,5 M], добавлен 18.10.2013Строение и свойства стали, исходные материалы. Производство стали в конвертерах, в мартеновских печах, в дуговых электропечах. Выплавка стали в индукционных печах. Внепечное рафинирование стали. Разливка стали. Специальные виды электрометаллургии стали.
реферат [121,3 K], добавлен 22.05.2008Характеристика заданной марки стали и выбор сталеплавильного агрегата. Выплавка стали в кислородном конвертере. Материальный и тепловой баланс конвертерной операции. Внепечная обработка стали. Расчет раскисления и дегазации стали при вакуумной обработке.
учебное пособие [536,2 K], добавлен 01.11.2012
