Реферат: Производство стали

Стали 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?