Способы производства стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Конвертерный способ производства стали

Источником теплоты при конвертерном способе являются химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна. Окисление протекает в основном за счет кислорода дутья (воздуха, технически чистого кислорода, газо-кислородной смеси). В настоящее время дутье подается в различных конвертерах через днище, сбоку или сверху. В соответствии с этим применяются конвертеры различных конструкций.

Конвертеры с боковым дутьем имеют емкость 0,5--4т и используются в сталелитейном производстве с целью выплавки стали для фасонного литья.

На металлургических заводах в настоящее время применяют конвертеры с нижним (через отверстия в днище) и верхним (через горловину) дутьем емкостью от 5 до 60т.

До последнего времени применялись лишь конвертеры с нижним дутьем и использованием атмосферного воздуха; в результате выплавлялась сталь, насыщенная азотом и имеющая поэтому пониженную свариваемость, а также склонность к старению и хрупкому излому при низких температурах. В связи с этим недостатком конвертерный передел, являющийся первым способом массового производства литой стали, с конца прошлого века постепенно вытеснился мартеновским и электросталеплавильными способами.

Применение вместо воздуха технически чистого кислорода резко изменяет весь ход процесса, позволяет использовать наиболее дешевый передельный мартеновский чугун, переплавлять в конвертере до 20--30% металлолома (вместо 5--10% при воздушном дутье), получать сталь по качеству не уступающую мартеновской. Основным преимуществом конвертерного способа является его высокая производительность. Цех, имеющий 3--4 конвертера емкостью по 25т, может дать до 1300000 т. стали в год. Поэтому в ближайшие годы следует ожидать повышения доли конвертерного способам общем производстве стали.

Конвертер с нижним дутьем (рис.1) представляет сосуд грушевидной формы. Кожух конвертера сваривают из толстой листовой стали и футеруют внутри огнеупорным материалом. Снаружи в средней части конвертер имеет два цилиндрических выступа 1 и 2, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертера. Одна из цапф (2) делается полой и соединяется с газопроводом 3. От цапфы к днищу 7 дутье подается через трубу 4 и коробку 5. В днище конвертера имеются отверстия -- фурмы 6, через которые дутье подается в конвертер под давлением 1,8 -- 2,5 атм.

При заливке жидкого чугуна и при перерывах процесса конвертер поворачивается на цапфах в положение, показанное на рис.2, с помощью зубчатой рейки, сцепленной с зубчатым колесом 8. После заливки чугуна пускают дутье, и конвертер поворачивают днищем вниз. Слой металла составляет при этом от 1/5 до 1/3 высоты цилиндрической части конвертера.

В конвертер с верхним дутьем кислород под давлением 4--12 атм подводят на поверхность металлической ванны через специальную водоохлаждаемую фурму 1 с медным соплом.

Рис.1- Бессемеровский конвертер

Рис.2 - Положение конвертера при заливке его чугуном

Кислород под напором струи частично проникает в металлическую ванну и окисляет ее, частично растекается по поверхности и обеспечивает сгорание в конвертере выделяющейся из металла окиси углерода, что увеличивает количество теплоты, выделяющейся в конвертере. При продувке кислородом (рис.3) применяют конвертеры с глухим дном, стационарные и вращающиеся.

Рис.3 - График изменения состава металла при продувке кислородом через днище

При стационарном положении конвертера во время продувки не достигается требуемое перемешивание металла, поэтому в зоне соприкосновения кислорода с металлом происходит резкое местное повышение температуры, вызывающее значительные потери железа в виде окислов, уносимых газами, удаляющимися через горловину конвертера. Помимо основного положения (при продувке), конвертер при повороте на цапфах устанавливают в вертикальное положение, при загрузке руды, скрапа (руда и скрап добавляются для некоторого охлаждения перегретого металла,кроме того, руда усиливает окисление примесей чугуна. Введение руды и скрапа увеличивает выход стали при плавке. Продукты горения при продувке отводятся через горловину конвертера, откидной камин 2 и газоотвод 3.

2. Прокатка стали (устройство и принцип прокатного стана)

Прокатный стан, машина для обработки давлением металла и других материалов между вращающимися валками, т.е. для осуществления процесса прокатки, в более широком значении - автоматическая система или линия машин (агрегат), выполняющая не только прокатку, но и вспомогательные операции: транспортирование исходной заготовки со склада к нагревательным печам и к валкам стана, передачу прокатываемого материала от одного калибра к другому, кантовку, транспортирование металла после прокатки, резку на части, маркировку или клеймение, правку, упаковку, передачу на склад готовой продукции.

Время и место появления первого прокатного стана неизвестны. Бесспорно, что раньше прокатчики железа применяли прокатку цветных металлов - свинца, олова, меди, монетных сплавов. Наиболее ранний документ (рисунок с описанием), характеризующий устройство для прокатки олова, оставлен Леонардо да Винчи (1495). Примерно до конца 17 века. привод прокатный стан был ручным, в 18 веке. - водяным. Промышленная прокатка железа началась примерно с 18 веке. В России она особенно широко развивалась на Урале. Прокатные станы применялись для производства кровельного железа, плющения кричной заготовки в полосу или лист, разделения откованной полосы по длине на более мелкие профили квадратного или прямоугольного сечения.

Рис.4 Трубопрокатный стан

В СССР первым достижением станостроения явилось сооружение Ижорским заводом двух блюмингов, которые в 1933году введены в эксплуатацию на Макеевском и Днепродзержинском металлургических заводах. В 1940-60-х гг. Всесоюзным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) создан ряд прокатных станов для новых технологических процессов, обеспечивающих производство прокаткой многих изделий, которые ранее изготовлялись другими, менее эффективными способами (тонкостенные безрисочные трубы, листы переменной толщины по длине, профили круглого периодического сечения, шары, втулки, винты с крупным шагом, ребристые трубы и др.). В 1959-62 ВНИИМЕТМАШем и Электростальским заводом тяжёлого машиностроения созданы принципиально новые трубные станы с бесконечным редуцированием труб (как при печной сварке, так и при радиочастотной), а также станы для непрерывной прокатки бесшовных труб (стан 30-102) производительностью на порядок выше по сравнению с действующими (около 550 тыс. т/год). В эти же годы пущены разработанные ВНИИМЕТМАШем, Научно-исследовательским институтом автомобильной промышленности и Горьковским автомобильным заводом первые станы для прокатки цилиндрических и конических колёс.

Классификация и устройство прокатных станов. Главный признак, определяющий устройство прокатного стана, - его назначение в зависимости от сортамента продукции или выполняемого технологического процесса. По сортаменту продукции прокатные станы разделяют на заготовочные, в том числе станы для прокатки слябов и блюмов, листовые и полосовые, сортовые, в том числе балочные и проволочные, трубопрокатные и деталепрокатные (бандажи, колёса, оси и т.д.). По технологическому процессу прокатные станы делят на следующие группы: литейно-прокатные (агрегаты), обжимные (для обжатия слитков), в том числе слябинги и блюминги, реверсивные одноклетьевые, тандемы, многоклетьевые, непрерывные, холодной прокатки. Размер прокатного стана, предназначенного для прокатки листов или полос, характеризуется длиной бочки валков, для заготовки или сортового металла - диаметром валков, а трубопрокатного стана - наружным диаметром прокатываемых труб.

Оборудование прокатного стана, служащее для деформации металла между вращающимися валками, называют основным, а для выполнения прочих операций - вспомогательным. Основное оборудование состоит из одной или нескольких главных линий, в каждой из которых располагается 3 вида устройств (рис.5): рабочие клети (одна или несколько) - к ним относятся прокатные валки с подшипниками, станины, установочные механизмы, плитовины, проводки; электродвигатели для вращения валков; передаточные устройства от электродвигателей к прокатным валкам, состоящие большей частью из шестерённой клети, шпинделей и муфт.

Рис.5. Главная линия четырехвалкового стана для прокатки листов: 1 - рабочая клеть; 2 - электродвигатель; 3 - шестеренная клеть; 4 - шпиндель; 5 - муфта

Между шестерённой клетью и электродвигателем часто устанавливают ещё редуктор. Если каждый валок имеет свой электродвигатель, передаточные устройства состоят лишь из шпинделей. Наибольшее распространение получили станы с горизонтальными валками: двухвалковые (дуо), трёхвалковые (трио), четырёхвалковые (кварто) и многовалковые (рис.6).

Для обжатия металла по боковым поверхностям используют клети с вертикальными валками, называемые эджерами. Станы, у которых вблизи горизонтальных валков расположены вертикальные, называются универсальными. Они служат для прокатки широких полос и двутавровых балок с широкими полками. В станах винтовой прокатки валки располагаются в рабочей клети косо - под углом подачи. Такие станы применяют для прокатки труб, осей, шаров и т.д.

Рис.6. Схема расположения валков в рабочей клети прокатного стана: а - двухвалкового; б - трехвалкового; в - четырехвалкового; г - шестивалкового; д - двенадцативалкового; е - двадцативалкового; ж - универсального.

Число и расположение рабочих клетей прокатных станах определяются его назначением, требуемым числом проходов металла между валками для получения данного профиля и заданной производительностью. По этому признаку прокатные станы подразделяются на 8 типов (рис.7). К одноклетевым станам относится большинство блюмингов, слябинги, шаропрокатные станы, станы для холодной прокатки листов, ленты и труб.

Рис.7. Схема расположения рабочих клетей прокатного стана: 1 - одноклетьевого; 2 - линейного; 3 - сдвоенного; 4 - ступенчатого; 5 - непрерывного (а - с групповым приводом, б - с индивидуальным); 6 - полунепрерывного; 7 - последовательного ("кросс-коунтри"); 8 - шахматного.

В случае, когда в одной рабочей клети не удаётся расположить необходимое число калибров (см. Калибровка прокатных валков) или когда требуется высокая производительность, применяют станы с несколькими рабочими клетями. Наиболее совершенный многоклетьевой стан - непрерывный, в котором металл одновременно прокатывается в нескольких клетях (рис.8). Непрерывные станы служат для горячей прокатки заготовки, полос, сортового металла, проволоки, труб, а также для холодной прокатки листов, жести, ленты и др. профилей.

Рис.8. Непрерывный широкополосовой стан горячей прокатки

конвертерный металлургический прокатный литье

Скорости прокатки весьма различны и зависят главным образом от требуемой производительности прокатного стана, сортамента прокатываемой продукции и технологического процесса. У обжимных, заготовочных, толстолистовых, крупносортных станов скорость прокатки около 2-8 м/сек. Наибольшие скорости характерны для непрерывных станов: при прокатке сортового металла 10-20 м/сек; полосового 25-35 м/сек; проволоки 50-70 м/сек; при холодной прокатке жести 40 м/сек.

3. Литье под низким давлением

Установки литья низкого давления обычно состоят из механизмов сборки и разборки форм, отделения отливок от формы и стержней (по существу состав кокильной машины), агрегата заливки (печи - металлораздатчика), гидравлической, пневматической и электрической систем управления. Многочисленные конструкции разработанных универсальных и специализированных установок различаются: размерами рабочей зоны для размещения формы, числом подвижных элементов для сборки и разборки формы, типами печей - металлораздатчиков, компановочной схемой реализующей варианты обслуживания отдельных агрегатов установки, степенью автоматизации вспомогательных операций. Воздух или инертный газ под давлением до 0,05 МПа через систему регулирования поступает по трубопроводу внутрь камеры установки и давит на зеркало расплава. Вследствие разницы между давлением в камере установки и атмосферным давлением расплав поступает в форму снизу через металлопровод , со скоростью, регулируемой давлением в камере установки. По окончании заполнения формы давление в системе может быть увеличено до конца затвердевания отливки, после чего автоматически открывается клапан, соединяющий камеру установки с атмосферой. Давление воздуха в камере снижается до атмосферного и незaтвердевший расплав из металлопровода сливается в тигель. После охлаждения отливки до заданной температуры форма раскрывается, отливка извлекается и цикл повторяется. ЛНД применяется самостоятельно и как дополнение к другим способам литья в качестве эффективного метода автоматического заполнения формы жидким металлом. Удобство способа, в последнем случае, связано с отсутствием необходимости герметизации формы. Его используют для получения отливок в песчаные, металлические, графитовые формы. Самостоятельно ЛНД чаще используют для литья в кокили или кокили с песчаными оболочковыми стержнями, так как процесс сборки кокиля легче автоматизировать.

Способ ЛНД характеризуется следующими основными преимуществами, определяющими области его распространения и конструктивные особенности установок:

--управление гидродинамическими параметрами течения металла позволяет заполнить форму с минимальными потерями тепла, что особенно важно для сложных тонкостенных, крупногабаритных отливок. Заполняемость форм возрастает в 1,3…1,5 раза;

--при подводе металла в наиболее массивные части отливок питание их в процессе кристаллизации осуществляется через металлопровод, что позволяет упростить конструкцию литниково-питающей системы, сократить расход жидкого металла на нее, так как часто отсутствует необходимость устанавливать прибыли;

--избыточное давление в сплаве после заполнения формы улучшает условия питания кристаллизующихся слоев, как в тонких, так и в массивных сечениях отливки, увеличивает скорость затвердевания металла, благодаря интенсификации теплообмена его с формой. Это способствует повышению плотности, измельчению структуры металла отливок. Прочность металла может возрастать на 15…25%, пластичность в 1,5…2,0 раза;

--подача металла в форму снизу позволяет обеспечить ее плавное заполнение, уменьшить эффекты разбрызгивания и перемешивание металла, способствующие его окислению и захвату воздуха;

--уменьшена возможность окисления металла в печи и исключена вероятность попадания в форму шлака и флюса с зеркала расплава, так как металл поступает в форму с глубинных слоев ванны печи;

--полностью решена проблема автоматизации процесса заливки литейной формы жидким металлом;

--низкие, в сравнении с литьем под давлением, скорости течения металла при заполнении формы, позволяют использовать не только металлические, но и разовые элементы формы из других менее прочных материалов, что накладывает меньше ограничений на конструктивное оформление отливок.

Наряду с указанными преимуществами способ литья под низким давлением имеет недостатки: невысокая стойкость части металлопровода постоянно погруженной в расплав, что затрудняет использование способа для сплавов с высокой температурой плавления - чугуна и стали; сложность регулирования скорости потока расплава в форме, вызванная скоротечностью операции и динамическими процессами, происходящими в установке при заполнении ее камеры воздухом; возможность изменения свойств сплава при длительной выдержке его в печи установки.

Преимущества и недостатки способа определяют рациональную область его применения. Основную долю производства ЛНД составляют отливки из алюминиевых сплавов. Реже изготавливают отливки из медных сплавов, стали, чугуна в том числе высокопрочного с толщиной стенки до 3 мм (в песчаную форму). Минимальная толщина стенок отливок из алюминиевых сплавов - 1,5 мм, средняя толщина для крупных отливок 3…6 мм; для медных сплавов минимальная толщина стенок отливок - 3 мм.

Список литературы

1. Рокотян Е.С. Прокатное производство. Справочник. т.1-2, М, Металлургиздат, 1962, 436 с;

2. Королев А.А. Прокатные станы и оборудование прокатных цехов. (Атлас) М, Металлургия, 1968, 203 с;

3. Королев А.А. Механическое оборудование прокатных цехов 2-ое издание перераб. и доп. М, Металлургия, 1988, 680 с;

4. Целикова А.И. Специальные прокатные станы М,Металлургия, 1971, 336 с;

5. Целиков А.И., Зюзин В.И. Современное развитие прокатных станов М, Металлургия, 1972, 324 с;

6. Основы металлургического производства (черная металлургия) Москва «Металлургия» 1988

7. «Технология металлов и других конструкционных материалов» В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов. Издание второе.

8. «Литьё под давлением» М.Г. Беккер, М.Л. Заславский, Ю.Ф. Игнатенко, М.: Машиностроение, 1998

Размещено на Allbest.ru