Виробництво сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Виробництво сталі

Сталь -- це сплав заліза з вуглецем з процентним вмістом вуглецю до 2,14%. Сталь отримують з переробного чавуну та металобрухту (скрапу).

Переробний чавун, як правило, має в своєму складі 3 -- 4 % вуглецю, 0,2 -- 2,0% кремнію, 0,6 -- 3% марганцю, 0,07 -- 1,6% фосфору, 0,03 -- 0,08% сірки. Звідси випливає, що для переробки чавуну у сталь потрібно значно зменшити вміст вуглецю (практично 0,3 -- 0, %), зберегти кількість корисних домішок і зменшити кількість шкідливих домішок. Так, сірки в сталі допускається до 0,03 %, а фосфору до 0,05 %.

Практично це можна зробити шляхом випалювання, окислення вуглецю і виведення в шлак сірки та фосфору. Для цього треба через товщу розплавленого чавуну та металобрухту пропустити кисень. По закону діючих мас в першу чергу окислиться залізо (бо його найбільше), а потім закись заліза окислюватиме вуглець та інші домішки. Процес окислення показаний на схемі:

Реакції окислення екзотермічні, тому виділене тепло можна використати для розплавлення стального металобрухту.

Проте при припиненні дуття киснем сталь охолоджується, а дія FeO на компоненти не припиняється. В результаті цього виділяються гази, які об'єднуючись у бульбашки, піднімаються на поверхню, створюючи видимість кипіння сталі. Коли температура сталі знизиться до кристалізації, бульбашки до поверхні не доходитимуть, зависатимуть у верхній частині злитку, утворюючи раковини. Реакція FeO з іншими компонентами припиняється, але частина його залишиться як шкідлива домішка, яка спричиняє крихкість. Така сталь буде низькоякісна, кипляча. Треба своєчасно нейтралізувати FeO. Для цього сталь перед застиганням слід розкислити. Для цього в неї треба внести розкислювачі феросіліціум, феромарганець та чистий алюміній. Причому для здійснення ефективного розкислення потрібно внести всі перелічені вище

розкислювачі і в тій же послідовності. Внесення одного феросіліціуму залишає сталь киплячою. Якщо з феросіліціумом внести феромарганець, сталь буде напівспокійною. Внесення всіх трьох розкислювачів робить сталь спокійною. Процеси розкислення показані на схемі:

Розкислювачі вносять або в піч (електричну, мартенівську), або в струмінь сталі при розливці в ковші.

Технічно процеси виробництва сталі здійснюються трьома способами -- мартенівським, конвертерним та в електропечах.

Переробний чавун переробляється в сталь переважно конвертерним способом, який був розроблений у 1855 році Бессемером (Англія).

Суть його полягає в тому, що налитий в конвертер чавун продувається повітрям. Під час продувки вуглець, кремній, марганець та інші домішки окислюються, завдяки чому чавун перетворюється у сталь (рис. 1, а).

З часу винайдення Бессемером цього способу виробництва сталі принципових змін не було, хоча й відбулись дві суттєві зміни. У 1878 році англічанин Томас запропонував у бессемерівському конвентері замінити футеровку з кислої (динасової) на основну (доломітову), що дало можливість добавляти у піч вапно і переробляти чавун, який містить фосфор. За відсутністю кисню продувка, як у бессемерівському конвентері, так і в томасовському, відбувалась нагрітим повітрям.

У 1956 -- 1957 рр., з появою в достатній кількості технічного кисню, було запропоновано замінити повітряну продувку чавуну на кисневу. З того часу при переробці розплавленого чавуну в сталь переважно користуються киснево-конвертерним способом.

Кисневий конвертер представляє собою грушоподібну стальну піч, футеровану зсередини хромомагнезитом або доломітом (основним вогнетривким матеріалом). Схема кисневого конвертера показана на рисунку 1, б.

а) б)

Рис. 1.

сталь чавун металобрухт електросталеплавильний

Конвертер встановлюється на спеціальних опорах і може повертатися навколо горизонтальної осі. Горловина конвертера служить для завантаження чавуну, скрапу та флюсу, введення технічного кисню та відводу газів.

Ємність сучасних конвертерів 250 т і більше.

Кисень подається в конвертер через мідні фурми, які охолоджуються водою. Тиск кисню 0,9 -- 1,4 МПа. Температура в зоні дуття досягає 2200 -- 2500 °С, що дозволяє переробляти металобрухт.

Перед завантаженням конвертер повертають під кутом до горизонту. З міксера заливають розплавлений чавун, завантажують певну кількість металобрухту. Потім конвертер повертають у вертикальне положення, вводять фурму і вмикають подачу технічно чистого кисню. Одночасно з подачею кисню в конвертер завантажують першу порцію шлакоутворюючих речовин (вапняк або плавиковий шпат) і залізну руду.

Потім шлакоутворюючі речовини додають по ходу плавки.

Для розрідження шлаку в конвертер вводять боксити.

При досягненні необхідної кількості вуглецю подачу кисню припиняють. Виймають фурму. Конвертер повертають в горизонтальне положення. Беруть пробу сталі та шлаку на хімічний аналіз. Потім сталь виливають у ковш через випускний отвір. Розкислювачі вводять у ківш під час випуску сталі. При виплавлені легованої сталі частіше легуючі елементи вносять в ківш, а нікель, молібден -- у конвертер.

Сталь, отримана конвертерним способом використовується для виробництва листів для кузовів автомашин, виготов- лення профільних матеріалів (кутників, швелерів, двотаврів, рельсів тощо).

Мартенівський спосіб був розроблений у Франції в 1864 році батьком і сином Мартенами. Він отримав широке розповсюдження. До недавнього часу цим способом вироблялась більшість сталі. Проте мала продуктивність, висока собівартість виробленої сталі (висока вартість палива), поява електропечей поступово зменшує використання мартенівського виробництва сталі. Останнім часом такі печі навіть не будують.

Мартенівські печі відносяться до полуменевих відбивних регенераторних печей (рис. 2).

Рис. 2.

Мартенівська піч складається з ванни 6, та регенераторів 2. Ванна зверху закрита склепінням 7. З боку ванни розташовані завалочні вікна 8. Регенератори служать для нагрівання повітря та газу за рахунок тепла, яке переноситься з димом.

У ванну печі через завалочні вікна завантажується шихта -- металобрухт, руда, флюси. Шихта нагрівається за рахунок спалювання мазуту та природного газу. Дим, нагріте повітря, перш ніж попасти в димохідну трубу, проходить через регенератор, приміщення з чисельними каналами, викладеними вогнетривкою цеглою. При цьому вогнетривка цегла нагрівається до температури близько 1400°С. Якщо, наприклад, дим проходить через ліву частину регенератора, то в той же час через його нагріту праву частину, проходить у піч повітря та газ. Через 20 хвилин відбувається автоматичне перемикання.

Ємність мартенівських печей коливається в широких межах: від 30 до 900 т. Із збільшенням ємності печі її продуктивність зростає.

По конструкції печі можуть бути стаціонарними та коливаючими, однованними та двохванними. Стаціонарні печі нерухомі. Коливні встановлені на котках. Це дає можливість її нахиляти при виливанні сталі та шлаку.

В двохванних печах більш повно використовується тепло газів, які виходять в димохід. Коли в одній ванні відбувається нагрівання і плавлення шихти, то в другій сталь продувається киснем. Це зменшує кількість витраченого палива та кисню.

У залежності від розмірів печі, марки сталі, якості шихти тривалість плавки коливається від 3 до 18 годин. У мартенівських печах виплавляють якісну сталь з наперед заданим хімічним складом.

У залежності від складу шихти розрізняють скрап-рудний, скрап-процес і рудний процеси.

При скрап-рудному процесі в піч вводять 60 -- 75 % рідкого чавуну, 40 -- 25% скрапу, до 15% залізної руди та підвищену кількість флюсу. Окислення домішок чавуну відбувається за рахунок кисню руди.

При скрап-процесі шихта складається з 60 -- 70 % стального металобрухту та 30 -- 40 % переробного чавуну в чушках. Цей процес здійснюють там, де немає доменних печей.

Якщо металічна шихта складається тільки з рідкого чавуну, а в піч в твердому стані завантажується тільки залізна руда, то процес називається рудним.

Плавка при основному скрап-рудному процесі протікає в такій послідовності: заправка печі, завалка шихти, прогрів шихти, заливка чавуну, плавлення, кипіння, розкислення і випуск готової сталі.

Заправка печі полягає в її огляді, усуненні пошкоджень футеровки тощо. В підготовлену піч завантажують залізну руду та вапняк, прогрівають їх, а далі додають скрап. Потім повторно нагрівають і заливають в шихту розплавлений чавун, який взаємодіє з рудою і скрапом і приводить до окислення домішок та утворення шлаку. По закінченню плавлення шихти наступає період кипіння сталі. У киплячу сталь добавляють залізної руди або вдувають у ванну кисень, що спричиняє інтенсивне утворення оксиду вуглецю. Потім на короткий час відключають подачу палива і повітря, що викликає зниження тиску в печі та бурхливе виділення окису вуглецю, який викликає пінення шлаку. Частина шлаку витікає через завалочні вікна в шлакові чашки. Це робиться з метою видалення сірки та фосфору. Для додаткового очищення металу від шкідливих домішок у піч завантажують вапняк і боксит або плавіковий шпат, які утворюють новий шлак. Потім знову включають газ і повітря. Відбувається реакція окислення домішок.

У період кипіння починають розкислення сталі, а закінчують у ковші при випуску сталі.

Якщо варять леговану сталь, то легуючі компоненти вводять в піч після розкислення металу.

Електросталеплавильний процес -- найбільш прогресивний метод виробництва сталі. Він має ряд переваг у порівнянні з мартенівським і конвертерним. В електричних печах легко регулювати тепловий режим, плавку можна здійснювати при вищих температурах, достатніх для розплавлення тугоплавких елементів, сталь не забруднюється шкідливими домішками, які вносяться з паливом, плавка відбувається не в окислюючій атмосфері тощо. Єдине, що заважає широкому, запровадженню електропечей є дороговизна електроенергії. У даний час в електропечах вироблюється біля 10% сталі.

У сучасному металургійному виробництві застосовуються два типи електричних печей -- дугові та індукційні.

Дугові печі працюють на використанні тепла дуги, яка виникає між графітними електродами 8 і металобрухтом (рис. 3).

Рис. 3.

Піч складається з циліндричного стального кожуха 4, викладеного вогнетривкою масою. Зверху піч має склепіння 6, яке футероване динасовим або хромомагнезитовим вогнетривким матеріалом. Збоку печі є завалочне вікно 9 і випускний отвір 2. У склепінні печі встановлені три вугільних електроди, які піднімають і опускають автоматично. До електродів підведений трифазний змінний струм. Об'єм печі -- 200 - 400 т. Піч встановлена на спеціальних котках, що дає можливість повертати її при виливанні сталі.

В піч завантажують якісний металобрухт та флюси, опускають електроди та підключають їх до змінного струму. Між електродами та шихтою утворюється електрична дуга, яка дає температуру близько 3000°С. Відбувається плавлення шихти та окислення домішок. Під час плавки 2 -- 3 рази зливають шлак, завдяки чому зменшують кількість шкідливих домішок.

Розкислення сталі проводять комбіновано: в піч спочатку завантажуються феросплави та алюміній разом з флюсами, потім після, утворення шлаку його розкислюють. При цьому відновлюється закись заліза в чисте залізо, яке переходить з шлаку в сталь і викликає знову перехід закису заліза з сталі в шлак. Це дає практично повне розкислення сталі, до того ж реакція на межі шлак -- сталь не забруднює сталь неметалічними включеннями.

Легуючи компоненти, які не окислюються (нікель, молібден) вводять в піч разом з шихтою. Ті ж легуючі елементи, які можуть легко окислитись в печі (хром, титан), вводять після розкислення сталі.

Тривалість плавки сталі в електродугових печах в залежності від їх ємності складає 4 -- 6 годин.

В дугових електричних печах отримують високоякісні конструкційні, нержавіючі, жаростійкі сталі. В них менше сірки, фосфору та неметалічних включень, добра розкисленість. Але недоліком є те, що така сталь має надлишок азоту. В зонах дії електричної дуги, де температура сягає 4000 -- 6000°С, утворюється атомарний азот, який добре розчиняється в розплавленій сталі, що приводить до зниження її якості. Крім того, в електродугових печах не можна отримати низьковуглецеву сталь, тому що при згоранні вугільних електродів виділяється вуглець, який переходить в сталь.

Цих недоліків уникають при виплавці сталі в індукційних печах. Схема індукційної печі показана на рисунку 4.

Рис. 4.

Індукційна піч представляє собою тигель з вогнетривкого матеріалу 3, в який вмонтовано мідну трубчату спіраль (індуктор) 1. Піч закривається вогнетривкою кришкою. Ємність печі -- від десятків кілограм до 30 т.

В піч завантажують високоякісний металобрухт 2 з малим вмістом сірки та фосфору. Потім до індуктора підключають високочастотний струм (500 -- 800 Гц), який виробляє, двигун-генератор. Індуктор в печі створює потужне високочастотне магнітне поле. У металобрухті виникають вихрові струми, які швидко нагрівають і плавлять його. У кінці плавки вносять флюси, які утворюють шлак. Шлакове покриття захищає метал від впливу атмосфери та зменшує розсіювання тепла.

Під дією магнітного поля відбувається інтенсивне перемішування сталі, що сприяє прискоренню плавки, отриманню однорідної за хімічним складом сталі та швидкому спливанню неметалічних включень. В кінці плавки проводять дифузійне розкислення. Перевага індукційних печей над дуговими полягає в тому, що в них можна отримати сталь високої якості та з низьким вмістом вуглецю. Крім того, в них при плавленні дуже мало вигорає легуючих елементів, менше азоту тощо.

Недоліками індукційних печей є висока собівартість сталі, мала продуктивність та відсутність можливості повною мірою очищати сталь від сірки та фосфору.

У сталеплавильних печах отримується значна кількість сталі. З неї треба виготовити різні заготовки для виготовлення профільних деталей (рельсів, кутників, двотаврів, швелерів тощо), для виготовлення листового металу, труб, прутків тощо. Для виготовлення заготовок сталь потрібно раціонально розлити. Відомі три способи розливки сталі у виливниці (зверху), сифоном (знизу) та неперервна розливка (рис. 5).

Виливниці -- це чавунні (рідше стальні) товстостінні форми для отримання стальних злитків. Їх поперечний переріз вибирають в залежності від виду наступної обробки злитку. Для сортової прокатки частіше вибирають злитки квадратного перерізу, для листової зручніше злитки прямокутної форми, для ковки отримують злитки багатогранного або круглого перерізу. Вага злитку може бути від 1 т до 10 - 12 т. Для окремих виробів вона може досягати 300т.

а) б) в)

Рис. 5.

Висота виливниць в 3 -- 5 разів більша товщини. Для полегшення виймання злитків з виливниць їх вниз або вгору звужують. Для зменшення прибильної частини, де утворюється усадочна раковина, верхню частину виливниці «утеплюють» футерованою наставкою. Інколи цю наставку навіть підігрівають за допомогою електричного нагрівника.

Сталь з печей транспортують за допомогою спеціального ковша, який може вміщувати до 480 т. Він зварений із сталі. Із середини ковш футерований шамотом. У дні ковша є отвір, який зсередини закривається вогнетривкою пробкою. За допомогою спеціального важеля пробку можна відкрити і через отвір провести розливку сталі у виливниці.

При розливці зверху виливниці встановлюються одна біля іншої (рис. 5, а).

За допомогою мостового крану ковш встановлюється над виливницею, відкривається пробка і через отвір сталь виливається у виливницю. Після наповнення виливниці ковш відводять до слідуючої виливниці. Це простий спосіб розливки, але він має ряд недоліків. По-перше, сталь не встигає відстоятись, струмінь сталі перемішує її майже до дна. По-друге, внаслідок попадання бризок металу на стіни виливниці поверхня злитку стає неякісною. По-третє, розливку зверху важко не тільки автоматизувати, а механізувати, тому процес розливки пов'язаний зі значною кількістю ручної праці.

Розливка сифоном теж здійснюється у виливниці, але сталь виливниці наповнюється знизу (рис. 58, б). Сталь з ковша 1 поступає в центральний стояк 4, а з нього розходиться по виливницям, яких може бути декілька десятків.

Недоліком цього способу розливки є те, що сталь забруднюється неметалічними включеннями.

Найбільш прогресивним способом розливки сталі є неперервний. Його принципова схема зображена на рисунку 5, в.

Сталь з ковша 1 через проміжний ковш 2 поступає в бездонну виливницю -- кристалізатор 3, який охолоджується водою. Знизу в кристалізатор встановлюють затравку. Сталь в кристалізаторі з'єднується із затравкою і кристалізується. За допомогою спеціальних роликів 6 затравка рухається вниз, поступово витягуючи затверділий злиток з кристалізатора. Остаточне затвердіння середини злитка відбувається в зоні вторинного охолодження 5 струменем води. У нижній частині за допомогою газового різака відрізають злитки необхідної довжини. Готові злитки квадратного або прямокутного перерізу (від І50хІ50 до 400Ч400) направляють на прокатку.

Установки для неперервної розливки сталі можуть бути одно- і багатострумкові.

Неперервна розливка сталі має ряд переваг перед іншими. Це перш за все продуктивність.

Література

Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М. Высшая школа, 2004. - 518с.: ил.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 1990. - 528с.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 1996. - 576с.

Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2000. - 637с.: ил.

Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов ВУЗов, обуч. по напр. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / А.В. Шишкин и др.; под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: ОМЕГА-Л, 2007. - 751с.: ил.(Высшее техническое образование).- (Учебное пособие)

Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 646с.: ил.

Размещено на Allbest.ru