Реферат: Производство стали
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИСтали железоуглеродистыесплавы, содержащие практически до 1,5% углерода. Кроме углерода, сталь всегдасодержит в небольших количествах постоянные примеси: марганец (до 0,8 %),кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %), что связано сособенностями технологии ее выплавки. В технике широко применяют такжелегированные стали, в состав которых для улучшения качества дополнительновводят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марокуглеродистых и легированных сталей—конструкционных, инструментальных,нержавеющих и т. д.
Разработанонесколько способов получения стали из чугуна.
Первымиспособами получения стали из чугуна были кричный (12- 13 века), пудлинговый(конец 18 века), бессемеровский (1856 г.), томассовский. Их недостаткамиявляются невысокое качество стали и ограниченность сырьевой базы, так как можнобыло использовать лишь некоторые чугуны ( с определенным содержанием кремния,серы и фосфора).
Примернос начала 20 – го столетия массу стали выплавляли мартеновским способом(открытие 1864 г)- менее производительным, но позволяющим выплавлять болеекачественную сталь.
В50-х годах 20 столетия появился кислородно — конвертерный процесс.
Однимиз прогрессивных способов получения сложных и высоколегированных сталейявляется электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционныхпечах.
Стальособо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а такжепутем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой плавки.
Кислородно- конвертерный процесс
Сущностькислородно –конвертерного процесса заключается в том, что налитый в плавильныйагрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода воздуха.Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается всталь.
Этотпроцесс осуществляется в конверторе, схема которого представлена на рис.
/>
Рисунок. Схема кислородногоконвертора:
1 — глуходонный конвертор; 2—фурма для вдувания кислорода; 3— летка для слива стали
Его грушевидный корпус (кожух) сварениз листовой стали, внутри он футерован основным огнеупорным материалом ( укожуха магнезит или хромомагнезит, внутренний- рабочий слой – доломитосмолянаямасса или кирпич).
Конвертор устанавливают на опорныхстанинах при помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг оси, что необходимодля заливки чугуна и других технологических операций, рис. .
/>
Рисунок. Технологические операциикислородно-конверторной плавки:
1- загрузка стального скрапа; 2 — заливка расплавленного чугуна; 3- продувка кислородом; 4 — загрузкаизвести и железной руды с началом продувки и по ходу плавки; 5 — выпускметалла; 6- выпуск шлака
Вместимость современных конвертеровдостигает 250 — 400 т.
Перед старыми способами получениястали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества — очень высокуюпроизводительность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеровскогопроцесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатыватьсяэтим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металлатакие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.
Кислород вдувают в конвертервертикальной трубчатой водоохлаждаемой фурмой, опускаемой в горловинуконвертера, но не доходящей до уровня металла на 1200—2000 мм. Таким образом,кислород не продувается через слой металла (как воздух в старых конвертерныхпроцессах), а подается на поверхность залитого в конвертер металла. Это даетвозможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также нетолько вводить в конвертер жидкий металл, но и добавлять к нему для охлажденияскрап или железную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30% мессы металла).
Началом очередного цикла вкислородном конвертере служит завалка в него лома и других металлическихотходов; на некоторых заводах в конвертор вводят железную руду. После введенияэтих добавок в конвертер начинают заливать жидкий чугун, подвозимый из миксерав чугуновозных ковшах. После того как металл займет 1/5 объема конвертера,загружают известь, необходимую для связывания фосфора; в конвертор опускаютводоохлаждаемую фурму и подают в нее технический кислород. В конвертереначинается интенсивный процесс окисления металла кислородом, который преждевсего, встречаясь с частичками железа, окисляет их по реакции
/>
Кроме железа, окисляются и примеси,но окисление их может происходить не только кислородом, но и перешедшей в шлакзакисью железа по реакциям
/>
В уравнениях реакций химическиеэлементы, находящиеся в металле, заключены в квадратные скобки, а находящиесяв шлаке, — в круглые.
Все эти реакции протекают вконвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакцияспособствует перемешиванию металла.
После 15—16-минутной продувкиподнимают фурму, наклоняют конвертер, берут пробу металла на анализ и скачиваютбольшую часть шлака; это занимает 7—8 мин; за это время экспресс-анализомопределяют основные параметры стали, затем конвертер вновь ставят ввертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают кислородомнесколько минут в зависимости от данных анализа и заданной марки стали.
В это время продолжаются реакцииокисления и интенсивно идут реакции шлакообразования
/>
и многие другие физико-химическиепроцессы; в конце вторичной продувки в конвертер вводят раскислители (ферромарганец и ферросилицием). Марганец и кремний реагируют с раствореннымкислородом; их окислы образуют с окислами железа жидкую шлаковую фазу, чтопомогает вывести продукты раскисления из металла.
Затем фурму вновь поднимают, конвертер наклоняют, берутконтрольную пробу металла, термопарой погружения измеряют его температуру,после чего сталь выпускают через боковую летку в разливочный ковш; после сливаметалла скачивают оставшийся шлак и заделывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50—60 мин, а продолжительность продувкикислородом — 18—30 мин.
Недостатком кислородно-конвертерногоспособа получения стали является большое пылеобразование, обусловленноеобильным окислением и испарением железа; угар металла составляет 6—9 %, чтозначительно больше, чем при других способах получения стали. Это требуетобязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительныхустановок.
Производствостали в мартеновских печах
Мартеновскийпроцесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами отцом Э. Мартеном исыномП. Мартеном.
Мартеновская печь (рис. ) поустройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью.
/>
Рисунок… Схема мартеновской печи:
1, 2 — газовые и воздушныерегенераторы; 3,4 -газовые и воздушные каналы в головке печи; 5 — рабочее пространство печи; 6 -подина печи; 7 — свод печи; 8 -завалочные окна
В ееплавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокаятемпература для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерациейтепла печных газов.
Рабочееплавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной иоткосами; сверху — сводом; с боков — передней и задней стенками; с торцов — головками. В передней стенке расположены окна, через которые в печь загружаютисходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробыметалла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками сосмотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие,расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотнозабивают малоспекающимися огнеупорными материалами.
Дляболее полного использования тепла отходящих газов в системе газоотводовустановлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненныхнасадкой из огеупорного кирпича.
Принципрегенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторовнекоторое время нагревается до 1250 – 1300 оС отходящими из печигазами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняетсяавтоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печиподается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до1100- 1200 оС. В это время другая пара регенераторов нагревается,аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов доустановленной температуры снова происходит автоматическое переключениеклапанов.<sup/>
Основнымиматериалами для выплавки стали являются передельный чугун марок М1, М2, М3 истальной скрап.
Стальнойскрап – отходы при прокатке (до 10-12 % от массы слитка), при ковке и штамповке(грат, обсечки и др), стружка – при обработке на металлорежущих станках. Вкачестве скрапа широко используют также пришедшие в негодность различныестальные изделия, детали и т.п. Стружку и мелкий скрап до загрузки вмартеновскую печь прессуют, превращая в пакеты.
При выплавкестали используют известняк (флюс), железную руду и другие добавки. Дляраскисления и легирования применяют ферромарганец и другие сплавы.
Получениестали в электрических печах
Этотпроцесс является более совершенным, так как легко регулируется тепловойпроцесс, можно создавать окислительную, восстановительную, нейтральнуюатмосферу или вакуум, легче осуществляется легирование стали. В дуговых печахвыплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные,нержавеющие, жаропрочные и другие стали.
Для производства стали наиболее часто применяют дуговые трехфазныеэлектрические печи с вертикальными графитированными электродами и непроводящимподом. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепиэлектрод—дуга—шлак—металл—шлак—дуга— электрод. Вместимость таких печейдостигает 400 т.
Печь состоит из металлического кожухацилиндрической формы и сферического дна (рис. ). Подобно мартеновским, дуговыепечи могут быть кислыми и основными. В основных печах подину выкладывают измагнезитового кирпича, сверху которого наносят набивной слой из магнезита плидоломита (150—200 мм). В кислых печах применяют динасовый кирпич и набивку изкварцита на жидком стекле.
/>
Рис. . Схема дуговой электропечи
1 - выпускной желоб; 2 — дверка; 3 -свод; 4- три электрода; 5 — опорные ролики; 6- металл; 7 — электродвигатель для наклона печи
В цилиндрической части печи имеетсярабочее окно и выпускное отверстие с желобом. Электрические печи имеютмеханизмы для наклона печи на 40—45° в сторону выпускного отверстия для сливаметалла и на 10—15° в сторону рабочего окна для скачивания шлака. Свод печиобычно сферический, и через него опускают в печь три цилиндрических электрода.Рядом с печью помещены механизмы для подъема электродов и понижающий трансформатор,питающий печь электроэнергией. Мощность трансформатора зависит от размеров иемкости печи. Например, 10-тонные печи имеют трансформатор мощностью 3,5 MB-А, а 250-тонные печи— трансформатормощи остью 65 MB- A. Трансформатор печи имеет на низкой стороне несколько ступенейнапряжения (3—12), переключая которые, можно регулировать энергетическуюнагрузку электродов.
Небольшие печи загружают через окно(с помощью мульд и завалочной машины), а печи емкостью более 5 т, как правило,через свод (с помощью загрузочной бадьи или сетки).
На 1 т выплавляемой углеродистойстали расходуется 500—700 кВт-ч, на 1 т легированной стали —до 1000 кВт-ч.
Выплавка стали в индукционных печах
Выплавку стали в индукционных печахприменяют в черной металлургии значительно реже, чем в дуговых, и используютобычно печи без железного сердечника, состоящие из индуктора в виде катушки (измедной трубки, охлаждаемой водой), которая служит первичной обмоткой, окружающейогнеупорный тигель, куда загружают плавящийся металл, рис. .
/>
Рисунок.. Схема индукционной печи для выплавки стали:
1-тигельиз огнеупорных материалов; 2 — водоохлаждаемый индуктор; 3 — желоб для выпуска плавки; 4- сталеразливочный ковш; 5- металл; 6 — вихревыетоки
При пропускании тока через индуктор вметалле, находящемся в тигле, индуктируются мощные вихревые токи, чтообеспечивает нагрев и плавление металла. Шихтовые материалы загружают сверху.Для выпуска плавки печи наклоняют в сторону сливного желоба. Так как виндукционных печах теплота возникает в металле, шлак в них нагревается толькочерез металл. Вместимость современных индукционных печей достигает в отдельныхслучаях 15 т.
Плавку проводят методом переплава,используя отходы соответствующих легированных сталей или чистый по сере ифосфору углеродистый скрап и ферросплавы. В конце периода плавления на металлзагружают флюс, необходимый для образования шлакового покрова. В кислых печахв качестве флюса используют бой стекла и другие материалы, богатые SiO2. В основных печах применяют известь и плавиковыйшпат. Шлаковый покров защищает металл от окисления и насыщения газамиатмосферы, уменьшает потери тепла.
Крупные печи могут работать напеременном токе с промышленной частотой 50 периодов; для более мелкихнеобходимы генераторы, работающие на частоте 500—2500 периодов в секунду.Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, таккак окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно. Эти печис успехом используют для переплавки чистых легированных сталей, так как высокаятемпература, возможность работы в вакууме и отсутствие науглероживания металлаэлектродами дают возможность получить в них стали с малым содержанием углеродаи различные сложные сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.
Получение стали в дуговыхэлектрических печах имеет неоспоримые преимущества, важнейшие из которых —очень высокое качество получаемой стали, возможность выплавлять любые маркистали, включая высоколегированные, тугоплавкие и жаропрочные. Электрическиепечи обеспечивают минимальный угар железа по сравнению с другимисталеплавильными агрегатами и, что особенно важно, минимальное окислениедорогостоящих легирующих присадок благодаря нейтральной атмосфере в печи.Следует отметить удобство регулирования температурного режима и легкостьобслуживания этих печей.
Недостатком выплавки стали в дуговыхэлектрических печах является потребность в большом количестве электроэнергии ивысокая стоимость передела, так как на 1 т стали при твердой завалке расходуют600—950 кВт-ч электроэнергии. Поэтому дуговые электрические печи покаприменяют главным образом для получения высоколегированных и других дорогихсортов стали, предназначенных для ответственных изделий.
Контрольные вопросы
1. Какое влияние оказывает углерод насвойства стали?
2. Расскажите о влиянии серы ифосфора на свойства стали.
3. Расскажите о влиянии углерода ислучайных примесей на свойства углеродистой стали.
4. По каким признакам классифицируютстали?