7.5. Технология производства стали. Получение стали

7.5. Технология производства стали

Чугун и металлолом – основное сырье для производства стали. Передельный чугун, как правило, содержит 3,8...4,4% С, 0,2...2,0% Si, 0,6...3,5% Mn, 0,07...1,6% P, 0,03...0,08% S. Сталь получают окислением избытка C, Si, Mn, S и Р.

Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода колеблется от 0,01 до 2%. Кроме углерода, она содержит марганец, кремний, серу и фосфор в незначительных количествах. Вследствие этого стали обладают высокой механической прочностью, сравнительно легко обрабатываются давлением, резанием, хорошо свариваются и являются основным конструкционным материалом в машиностроении.

Для выплавки стали используются следующие шихтовые материалы: чугун (жидкий или твердый), стальной и чугунный лом, железная руда, металлизированные окатыши, ферросплавы, флюсы. Основу шихты составляют чугун (55%) и металлолом (45%). В качестве флюсов используются: известняк, известь, боксит, плавильный шпат; окислителями служат железная руда, окалина, кислород, агломерат и др. Применяется газообразное топливо – доменный, коксовый, природный газ; жидкое – мазут, смола; твердое топливо – каменноугольная пыль.

Сталь получают в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна – углерода, кремния, марганца, фосфора, серы за счет кислорода, содержащегося в атмосфере, в оксидах железа и марганца или специально вводимого в расплавленную ванну.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную стали. Спокойная сталь – это сталь, полностью раскисленная, она застывает спокойно, без выделения газов. Кипящая сталь частично раскислена; при кристаллизации в слитках она бурлит («кипит») в результате выделения пузырьков СО. Полуспокойная сталь по степени раскисления занимает промежуточное место между кипящей и спокойной.

В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный.

Кислородно-конвертерный способ. Сущность его состоит в продувке жидкого чугуна в конвертере технически чистым кислородом. Конвертер (рис. 7.2) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы вместимостью 100-350 т, выложенный внутри огнеупорным кирпичем. В верхней части корпуса расположена горловина для загрузки в конвертер металлического лома, заливки жидкого чугуна, подачи других материалов, опускания в конвертер кислородной фурмы, а также для выхода газов во время продувки. Сбоку находится летка для слива готового металла из конвертера в ковш. Поворот конвертера осуществляется электроприводом через систему редукторов. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360 градусов.

Перед началом процесса конвертер поворачивают в наклонное положение, загружают металлолом и заливают жидкий чугун при температуре 1250-1400°С. Затем конвертер ставят в горизонтальное положение, загружают известняк, опускают водоохладительную фурму и подают кислород под давлением 1-1,4 МПа.

Под воздействием кислородного дутья примеси чугуна окисляются, при этом выделяется большое количество тепла. Это способствует расплавлению всех шихтовых материалов, поддержанию металлов в жидком состоянии, быстрому растворению извести и образованию активного шлака. В отличие от других сталеплавильных процессов в кислородном конвертере выплавка стали протекает без подвода тепла извне.

Когда содержание углерода достигает требуемого значения (это определяется путем экспресс-анализа пробы металла), продувку прекращают, фурму извлекают из конвертера. Продувка обычно продолжается 15-20 минут. Выплавленную сталь сливают в ковш, поворачивая конвертер вокруг горизонтальной оси.

Полученный металл содержит избыток кислорода, поэтому в ковш вводят раскислители и легирующие добавки. Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером. Общая продолжительность конвертерной плавки составляет 35-60 минут. Годовая производительность конвертера вместимостью 250 тонн составляет более 1,5 млн. т.

В кислородных конвертерах в основном выплавляют углеродистые, низколегированные и легированные стали, из которых изготовляют катанку, проволоку, лист, трубы, рельсы и широкий сортамент других изделий.

Мартеновский процесс. Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлолома в отражательной печи. В отличие от конвертерного процесса здесь недостаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Поэтому в печь (рис. 7.3) подводится дополнительное тепло, получаемое при сжигании в рабочем пространстве газообразного или жидкого топлива в струе воздуха, нагретого до 1100-1200°С. Вместимость мартеновских печей 600-900 т.

Мартеновская печь оборудована системой переходных клапанов для изменения направления подачи в печь топлива и воздуха и отвода из печи продуктов сгорания.

Топливо и воздух поступают в рабочее пространство поочередно то с правой, то с левой стороны. В результате сгорания топлива в рабочем пространстве возникает факел. Такая работа печи обеспечивает высокие температуры в рабочем пространстве на протяжении всей плавки.

В период загрузки и плавления шихты происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, и по тем же реакциям, что и при конвертерном способе. Известняк переводит в шлак серу и фосфор.

Важным моментом плавки является период «кипения» – выделение образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл при этом перемешивается, выравнивается его температура и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения. При достижении требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем экспресс-анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки – доводке и раскислению металла. В печь вводят рассчитанную дозу ферромарганца и ферросилиция. После раскисления берут контрольную пробу металла и шлака, пробивают летку и по желобу выпускают сталь в ковш. Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8-16 часов, печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи зависит от стойкости ее свода. Для динасового свода она составляет 200-350 плавок, а для магнезита хромового – 300-1000 плавок.

Рис. 7.3. Схема мартеновской печи

1 – регенератор;

2 – головка;

3 – рабочее пространство;

4 – загрузочное окно

Электросталеплавильный процесс. Выплавка стали в электрических печах (рис. 7.4) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими сталеплавильными процессами. Основные преимущества – это возможность создания высокой температуры в плавильном пространстве печи (более 2000°С) и выплавки стали и сплавов любого состава, использование известкового шлака, способствующего хорошему очищению металла от вредных примесей серы и фосфора.

Тепло в электропечах выделяется в результате преобразования электрической энергии в тепловую при возникновении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах. Электроплавку можно вести в любой среде – окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений – в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления.

Электросталь содержит минимальное количество вредных примесей фосфора и серы, неметаллических включений и по качеству превосходит кислородно-конвертерную и мартеновскую сталь. В электропечах выплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные, коррозионностойкие, жаропрочные и другие стали.

1 – сферическое днище; 2 – выпускное отвертстие; 3 – металлическая ванна; 4 – кожух; 5 – футеровка печи; 6 – свод печи; 7 – медные шины; 8 – электродержатели и электроды; 9 – загрузочное окно; 10 – устройство для наклона печи; 11 – под печи

Рис. 7.4. Схема дуговой электрической печи

Дуговая печь состоит из металлического корпуса цилиндрической формы со сферическим днищем. Изнутри корпус печи футерован высокоогнеупорными материалами. Свод печи делается съемным и имеет отверстие для электродов, которые крепятся в электродержателях и при помощи механизма могут перемещаться вниз и вверх. Печь имеет одно или два рабочих окна и выпускное отверстие и устанавливается на два опорных сегмента, с помощью которых она может наклоняться в сторону рабочего окна или выпускного отверстия.

Для загрузки шихты в печь свод поднимают и вместе с электродами отводят в сторону. Шихта в плавильное пространство опускается в специальном контейнере с открывающимся дном.

Электрический трехфазный ток в плавильное пространство подводится от понижающего трансформатора с помощью трех электродов. Дуговые печи снабжают индукторами для электромагнитного перемешивания жидкой ванны.

Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким материалом или шихтой при подаче на электроды необходимого напряжения.

Плавка в электропечи начинается с заправки пода и завалки шихты. По окончании загрузки опускают электроды до соприкосновения с металлом, включают напряжение и начинают плавку. В течение первого периода плавки происходит расплавление твердой шихты и окисление примесей: кремния, марганца, фосфора, углерода, частично железа. Образовавшийся первичный фосфористый шлак удаляют из печи и загружают известь и руду. Через некоторое время начинается «кипение» металла, это выгорает избыточный углерод, удаляются растворенные газы и неметаллические включения. Затем берется проба стали для экспресс-анализа содержания углерода и марганца, а также пробы шлака для определения по содержанию СаО и SiO2. Затем снова удаляется шлак.

Первый период плавки завершается снижением содержания в стали фосфора до 0,01-0,012% и окислением примесей, однако в стали еще остается кислород и сера.

В

Рис. 7.5. Схема устройства индукционной электропечи:

1 – индуктор;

2 – шихта;

3 – футеровка.

о втором периоде плавки производят раскисление, десульфурацию и рафинирование стали (окончательную доводку химического состава). С этой целью добавляют известь, плавиковый шпат и молотый кокс. После этого сталь раскисляют ферромарганцем и ферросилицием. Сера переходит в шлаки. Берут пробы стали и при необходимости вводят легирующие элементы. Про-должительность плавки 2-4 часа в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали. Вместимость дуговых печей – до 200 тонн.

Применяются также индук-ционные печи, представляющие собой тигель из огнеупорного материала, окруженный медной трубчатой спиралью (индуктором), через которую пропускается ток высокой частоты (рис. 7.5). Емкость печей – от десятков килограммов до 30 т. Тигли изготовляют как из кислых, так и из основных огнеупорных матери-алов. При пропускании тока через индуктор 1 в металле 2 (ших- те) возникают вихревые токи, обеспечивающие нагрев и плавление металла. Под действием электромагнитных сил металл в тигле циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла. Эти печи применяются для выплавки наиболее качественных высоколегированных сталей и сплавов особого назначения. Шихтовые материалы загружают сверху, используя отходы легированных или чистых по сере и фосфору углеродистых сталей, ферросплавов. В конце плавления загружают флюс. В кислых печах много кремния, который приводит к самораскислению стали, окончательно раскисляют сталь ферросплавами и алюминием. В основном процессе раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса,алюминия, ферросилиция и др.

Электрические печи потребляют много электроэнергии, поэтому они используются, как правило, для получения только высококачественной стали.

Возможность получения в электропечах высококачественных сталей объясняется также отсутствием подачи воздуха для горения, что создает лучшую восстановительную среду, при которой сталь получается менее окисленной.

Разлив стали и получение слитка. Независимо от того, в каких печах и каким способом сварена сталь, из сталеплавильной печи ее выпускают в разливочный ковш, из которого затем разливают в изложницы. Изложница – чугунный сосуд с толстыми стенками. В ней жидкая сталь постепенно остывает, кристаллизуется и образует слиток. В зависимости от размеров и формы изложницы получается и соответствующий слиток: квадратного, прямоугольного, круглого или иного сечения и различного веса (чаще 6-8 т).

Получение слитка – сложный и ответственный процесс; от него в значительной мере зависит качество получаемой стали.

Выпущенную из печи сталь выдерживают некоторое время (10-15 мин) в ковше. За это время из стали выделяется часть растворенных в ней газов и на поверхность всплывают неметаллические включения (частички шлака и футеровки печей).

Наличие в жидком металле растворенных газов является причиной образования в слитке пустот, снижающих механические свойства стали. Для предотвращения образования таких пустот необходима дегазация жидкой стали до разливки ее в изложницы. Наиболее полная дегазация достигается обработкой стали в вакуумных камерах, в результате которой значительно повышаются плотность слитка и физико-механические свойства металла.

Заливку стали в изложницы производят как сверху, так и снизу, через литник (сифонная разливка). Этот способ применяют для получения малых слитков.

При неравномерном охлаждении стали в изложнице происходят неравномерная кристаллизация металла, снижающая его качество, и усадка (вследствие уменьшения объема при охлаждении), вызывающая образование усадочной раковины. Для предотвращения таких дефектов слитка принимаются меры, обеспечивающие его равномериое охлаждение и правильную кристаллизацию.

В последнее время широко применяется более прогрессивный способ разливки стали (рис. 7.6) на машинах непрерывной разливки. Здесь жидкий металл из сталеразливочного ковша подается в промежуточный ковш, предназначенный для снижения и стабилизации напора струи и для распределения ее по нескольким ручьям. Из промежуточного ковша жидкий металл непрерывно поступает в сквозную (бездонную) изложницу – медный кристаллизатор, стенки которого интенсивно охлаждаются водой, циркулирующей по внутренним каналам.

Попадая в кристаллизатор, металл затвердевает у стенок и на затравке. После заполнения кристаллизатора металлом затравку вытягивают с помощью валков тянущей клети, а за ней опускается и оболочка образовавшейся стальной заготовки. При этом уровень металла в кристаллизаторе поддерживается постоянным.

Из кристаллизатора вытягивается слиток с незатвердевающей сердцевиной; он поступает в зону вторичного охлаждения, где на его поверхность со всех сторон из форсунок подается распыленная вода. В результате интенсивного охлаждения при непрерывном движении заготовки происходит полная кристаллизация массы слитка. Затем слиток пропускают через валки тянущей клети, отделяют затравку и разрезают его на заготовки определенной длины.

Машины непрерывной разливки стали бывают трех типов: вертикальные, радиальные и криволинейные. Разливка на этих машинах имеет ряд преимуществ: отсутствие многочисленных изложниц и другого громоздкого оборудования, полная механизация и автоматизация процесса разливки, высокое качество получаемых заготовок, большой выход годного металла. Кроме того, такие слитки не нужно прокатывать на крупных обжимных станках (блюмингах и слябингах), значительно улучшаются условия труда.

Рис. 7.6. Принципиальная

технологическая схема установки

непрерывной разливки стали:

1 – ковш;

2 – промежуточное устройство;

3 – кристализатор;

4 – валки;

5 – зона резки

Мини-металлургические заводы. С середины 80-х гг. ХХ столетия в практику металлургического производства прочно вошло понятие “мини-металлургические заводы”, которые стали успешно конкурировать с заводами полного цикла.

В настоящее время примерно 30% всей стали производится именно на таких заводах. Современное содержание понятия “мини-завод” включает в себя минимальные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах, рентабельности и т.п. Обычно к этой категории относят заводы с объемом производства 0,1...1,6(2) млн. т стали в год. По разным оценкам, в мире в настоящее время насчитывается около 500-600 мини-заводов.

Мини-металлургический завод – это комплекс, состоящий из следующих агрегатов: электродуговая печь, установка доводки стали в ковше “печь-ковш”, высокопроизводительная машина непрерывной разливки стали и группа прокатных станов.

Основу успешного функционирования мини-металлургических заводов составляет высокая экономическая эффективность работы основных технологических агрегатов, входящих в их состав, а также высокая степень их функциональной совместимости в едином производственном цикле. По существу, связующим элементом между электродуговой печью и машиной непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является агрегат «печь-ковш», в котором осуществляется комплекс мероприятий по доводке стали по температуре и химическому составу, её рафинированию, а также выдержке по времени в соответствии с режимом разливки на МНЛЗ. Следует особо обратить внимание на тот факт, что именно агрегаты, позволяющие выполнять регламентируемый подогрев стали в ковше, обеспечивают на практике как расширение функциональных возможностей внепечной обработки и стабилизацию работы МНЛЗ при разливе длинными сериями с выходом годного выше 96...97%, так и значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект.

Исключительно важной особенностью новых мини-заводов является стремление обеспечить максимально высокую удельную производительность плавильных агрегатов и МНЛЗ, производящих сортовую заготовку.

Маркировка сталей. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенного качества подразделяются на группы А, Б, В. Стали этих групп имеют гарантирование: А – механические свойства; Б – химический состав; В – оба этих параметра.

Маркируют сталь обыкновенного качества буквами Ст и цифрами от 0 до 7, означающими порядковый номер, с ростом которого растет прочность, но падает пластичность стали. Принадлежность стали к группам Б и В отмечается в маркировке этими же буквами. Примеры маркировки: Ст2кп, БСт6сп, ВСт3пс, БСт6Гпс. С ростом номера стали растет и содержание углерода, но цифра не соответствует его среднему содержанию (в Ст3 содержится 0,14...0,22% С, в Ст4 – 0,18...0,27% С, в Ст6– 0,38...0,49% С, в СтО – примерно 0,23% С).

Стали группы А используются в основном в состоянии поставки без последующих технологических операций (сварки, обработки давлением и т.д.). Термическая обработка не рекомендуется, так как стали имеют значительные колебания в химическом составе.

Стали групп Б и В имеют гарантированный химический состав и могут упрочняться термообработкой: закалка в воде, нормализация. Особенно эффективно проведение ТМО: 2-, 3-кратное повышение прочности сопровождается повышением пластичности в 1,5...2 раза. Эти стали используются при переработке полуфабриката в изделия с применением сварки или горячей деформации.

Свариваемость стали ухудшается с повышением содержания углерода, поэтому сварные конструкции изготавливаются из сталей марок Ст1, Ст2, СтЗ (не кипящих) групп Б и В. Стали группы В (повышенного качества) имеют специализированное назначение: судостроение, мостовые сооружения, моторостроение и т.д.

Из сталей Ст1,Ст2, СтЗ группы А изготавливают крепеж, баки и др. Эти же стали групп Б и В идут для изготовления цементируемых изделий (малонагруженных деталей машин, работающих на износ, измерительного инструмента), Ст4 используется в судостроении (обшивка корпусов и др.), Ст5, Ст6 идут на изготовление средненагруженных деталей (валов, пружин, рессор, крюков кранов, крепежа и т.д.). Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У (углеродистые) и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (например, У7–0,7% С, У 13–1,3% С). Они подразделяются на качественные (У8, У 12), содержащие менее 0,035% S и Р (каждого), и высококачественные (УЗА, У12А), содержащие менее 0,02%S и 0,02% Р.

Легированные стали маркируются так: первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за буквой, обозначающей определенный элемент (Н–Ni, К–Со, X–Сг, М-Мо, Г-Мп, С-Si, Ф-У, В-W, Ю-А1, А-М, Д-Си, Р–В, Т–Т1, Б–Nb, Ц–Zr, Ч–редкоземельные и др.),–его среднее количество в процентах. При содержании менее 1...1,5% элемента стали маркируются только буквой.

Легированные конструкционные стали выплавляют качественными (содержат не более 0,035% S и 0,035% Р) и высококачественными (≤0,025% S, ≤ 0,025% Р). Например, сталь 14Х2НЗМА: 0,14% С, 2% Сг, 3% М1, 1% Мо (буква А в конце марки означает “высококачественная”).

Маркировка конструкционных машиностроительных, инструментальных сталей и сплавов с особыми свойствами приведена в специальной литературе.

Прямое восстановление железа из руд. Большое внимание уделяется разработке процессов прямого восстановления железа из руд. Исключение из производства стали промежуточного процесса – получение чугуна – экономически выгодно. Но это трудная задача, и, хотя опробовано более 70 различных способов, лишь малое количество из них нашло промышленное применение.

Наибольшее распространение получило производство губчатого железа. Это пористый полупродукт (95% железа, 5% оксидов железа, 0,01...0,016% S и ~0,01% Р, примесей породы и др.), переплавляемый в сталеплавильных агрегатах на сталь. Существуют способы производства губчатого железа в шахтных печах, в кипящем слое, во вращающихся трубчатых печах. Исходный продукт – металлизованная шихта, чистая по сере и фосфору, содержащая 71...72% Fе. Восстановление шихты в небольших по высоте шахтных печах (ретортных) ведется в смеси газов СО+Н2, иногда СО+Н2+N2.

Химизм процесса:

Fe2O3+3h3=2Fe+3h3O

Fe2O3+CO=2Fe+2CO2

Восстановители h3 и CO получают конверсией на никелевом катализаторе природного газа метана по реакции:Ch5+h3O-CO+3h3

Схема такого производства (рис. 7.7) реализована на Оскольском електрометаллургическом комбинате (недалеко от Харькова).

Рис. 7.7. Система технологий и материальных потоков прямого восстановления железа

Как и в доменных печах, процесс основан на принципе противотока: железорудные материалы загружаются сверху, а восстано-вительные, нагретые примерно до 1200°С, газы поступают снизу. К восстановительному газу добавляют природный, обеспечивающий науглероживание окатышей. Хорошо отрегулированное стабильное опускание шихты и равномерное распределение газа по сечению печи обеспечивают в 2...5 раз большую производительность процесса по сравнению с доменной плавкой. В зоне восстановления температура составляет 850...900 °С.

Металлизация окатышей во вращающихся трубчатых печах осуществляется твердым восстановителем (вдувается угольная пыль).

Вращение расположенной под некоторым углом к горизонтали печи позволяет интенсифицировать процесс восстановления железа. Металлизированные окатыши перерабатывают в сталь в электропечах.

Преимущества “прямого восстановления” железа перед доменным:

- исключается дорогое и черезвычайно вредное производство кокса, почти отсутствуют характерные для коксового и доменного производства вредные выбросы серы, азота, канцерогенных органических соединений, пыли и шлака;

- отпадает надобность в энергоемких и вредных агломерационных и конвертерных цехах;

- транспортирование сырья осуществляется гидротранспортом и конвейерами, что значительно уменьшает загрязнение окружающей среды пылью по сравнению с традиционными видами транспорта с перегрузкой материалов.

Кроме указанных преимуществ, есть четвертое- перспективность усовершенствования процесса восстановления.

При улучшении энергетической ситуации в Украине экономически целесообразно получение восстановителя (Н2) электролизом из воды. В процессе восстановления водород, отбирая кислород у оксида, связывается в воду, которая снова вводится в цикл (на электролиз). То есть формируется действительно экологически чистое, практически безотходное производство (рис. 7.7).

Важным фактором такого процесса является уменьшение расхода воды и загрязнения рек и водохранилищ. Этот пример является ориентиром технико-экологического прогресса устаревших (по научной идее) технологий.

studfiles.net

Получение стали в электропечах

Этим методом выплавляют наиболее качественные стали.

  Применение электри­ческой энергии в производстве стали даёт возможность дости­гать более высокой температуры и точнее её регулировать. По­этому в электропечах выплав­ляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден и др. Потери легирующих эле­ментов в электропечах меньше, чем в других печах. При плавке с кислородом ускоряется плав­ление шихты и особенно окис­ление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволя­ет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вслед­ствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуци­руемого в металле электрического тока.

Сущность: Нагрев и расплавление метала осуществляется за счет образования трех электрических дуг, между торцом углерода и поверхностью шихты.

Электрические печи используют главным обра­зом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.

Принципиальная схема электродуговой печи.

1 – выпускной желоб

2 – дверки тигля

3 - свод

4 –графитовые электроды

5 – механизм наклона печи

6 – расплавленный металл + шлак

7 - слой шлака

8 - металл

9 сектор для наклона печи

Корпус печи имеет форму цилиндра со сферическим или плоским днищем. Снаружи стальной кожух, внутри – огнеупорные материалы. В стенке печи – рабочее окно для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятие проб. Съемный свод имеет отверстие для электродов. Готовую сталь выпускают через выпускное отверстие со сливным желобом.

Рядом с печью помещены механизмы для подъема электродов и понижающий трансформатор питающий печь энергией. Угольные или графитизированные электроды в процессе плавки постепенно сгорают и их наращивают снова, свинчивая с новыми электродами.

Этапы процесса:

1. Загрузка через окно шихты (иногда через свод)→загружается известь и железная руда.

2. Электроды опускаются к поверхности шихты и подают эл. ток через трансформатор.

3. через 10-15 минут скачивают 60-70% шлака (в нем большая часть фосфора)

4. Добавляется флюс - известь

5. Повышение температуры →окисление углерода→кипение

Когда проба покажет, что содержание углерода достаточно необходимого значения начинается “восстановительный” период плавки (Снижение процента серы, доведение состава металла до заданного.

Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содер­жание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.)

Недостатки процесса

Индукционная тигельная печь

Сущность: через индуктор проходит однофазный переменный ток высокой частоты (до 2000Гц), который создает вихревые токи внутри тигля, нагревающие металл до необх. температур.

Достоинства процесса:

1. Хорошее перемешивание металла в печи снижает угар с поверхности

2. Возможность вакуумной плавки.

3. Возможность выплавлять высококачественные легированные стали.

Сталеплавильные печи всех типов — бессемеровские конвер­теры, мартеновские и электрические — представляют собой аппа­раты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затраты времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного про­цесса.

studfiles.net

Этапы выплавки стали | Металлургический портал MetalSpace.ru

Первый этап

На этом этапе идет расплавление шихты и нагрев жидкого металла. Температура металла невысока. Начинается интенсивное окисление железа, так как оно содержится в наибольшем количестве в чугуне и по закону действующих масс окисляется в первую очередь. Одновременно начинает окис-лятся примеси Si, P, Mn. Образующийся оксид железа (FeO) при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементом (примесям в чугуне), окисляя их. Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие оксиды же-леза.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу, в соответствии с которым хи-мические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах, а реакции поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла.

Наиболее важной задачей этого этапа является удаление фосфора. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО, применяемый для удаления фосфора. В ходе плавки фосфорный ангидрид Р2О5 образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3⋅Р2О5. Оксид кальция СаО более сильное основание, чем оксид железа. Поэтому при невысоких температурах он связывает ангидрид Р2О5 в прочное соединение , (CaO)⋅Р2О5 переводя его в шлак. Для удаления фосфора из металла шлак должен содержать достаточное количество оксида железа FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную печь в этот период плавки добавляют железную руду, окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание его в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения, когда вещество растворяется в двух несмешивающихся жидкостях, распределение его между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения постоянного для данной температуры. Поэтому удаление фосфора из металла замедляется и для более полного удаления фосфора из металла шлак, содержащий фосфор удаляют, и наводят новый со свежими добавками (CaO).

Второй этап

Этап начинается по мере прогрева металлической ванны до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, проходящая с поглощением тепла. Для окисления углерода на этом этапе в металл вводят зна-чительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом и пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. При кипении ванны:

• уменьшается содержание углерода в металле;
• выравнивается температура и состав ванны;
• удаляются частично неметаллические включения в шлак.
• Все это способствует повышению качества металла.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ванне находится в виде сульфида железа, растворенного в металле [FeS] и шла-ке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке или больше серы переходят из металла в шлак. Сульфид железа, раство-ренный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция СаО, также растворенным в шлаке, образуя соединение CaS, которое растворимо в шлаке, но не растворя-ется в металле. Таким образом сера удаляется в шлак.

Третий этап

Этот этап является завершающим, в котором производится раскисление и, если требуется, легирование стали. Раскисление представляет собой технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое соединение и удаляется из металла. При плавке повышенное содержание кислорода в металле необходимо для окисления примесей. В готовой же стали кислород является нежелательной примесью, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Для раскисления стали используют элементы-ракислители, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей используют марганец, кремний, алюминий. Существует несколько способов раскисления стали. Наиболее широко применяются:

• осаждающий способ;
• диффузионный.

Осаждающий способ

Раскисление по этому способу осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алю-миния), содержащих Mn, Si, Al. В результате раскисления образуются оксиды MnO, SiO2, Al2O3, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть оксидов не успевает всплыть и удалится из металла, что понижает его свойства. Этот способ называют иногда глубинным, так как рас-кислители вводятся в глубину металла.

Диффузионный способ

По этому способу раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители загружают в мелкоизмельченном виде на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответс-твии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет пе-реходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаю-тся в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает в ней содержание неметаллических включений повышает ее качество.

Ввиду того, что скорость процесса перемещения кислорода из металла в шлак определяется скоростью его диффузии в металле, этот способ имеет и не-которые недостатки. Из-за малой скорости диффузии кислорода в металле про-цесс удаления кислорода идет медленно, возрастает продолжительность плавки. В зависимости от степени раскисленности различают стали:

• кипящие;
• спокойные;
• полуспокойные.

Кипящая сталь

Это сталь, выплавленная без проведения операции рас-кисления. При разливке такой стали и при ее постепенном охлаждении в излож-нице будет протекать реакция между растворенными в металле кислородом и углеродом[O]+[C]=COг

Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода СО будут выделятся из кристаллизующегося слитка, и металл будет бурлить. Такую сталь называют кипящей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений, представляющих продукты раскисления. Поэтому она обладает хорошей пластичностью.

Спокойная сталь

Это сталь, полученная после проведения операции рас-кисления. Такая сталь при застывании в изложнице ведет себя спокойно, из нее не выделяются газы. Такую сталь называют спокойной.Полуспокойная сталь. Сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Раскисление ее проводят частично, удаляя из нее не весь кислород. Оставшийся кислород вызывает кратковременное кипение металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют полуспокойной.

Легированные стали

Легированием называют процесс присадки в сталь специальных (легирующих) элементов с целью получить так называемую леги-рованную сталь с особыми физико-химическими или механическими свойствами. Легирование осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в сплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у же-леза (Ni, Cu, Co, Mo), при плавке и разливке практически не окисляются и по-этому их вводят в печь в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al и др.), вводят в металл после или одновременно с раскислением.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

metalspace.ru

Производство чугуна и стали

СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В металлургии черных металлов чугун занимает особо важное место, являясь первичным продуктом для переработки его в сталь и для производства чугунного литья.

Основным способом получения чугуна является доменный процесс. Он ведется в доменных печах и заключается в восста­новлении из руды железа и других примесей при помощи окиси углерода и твердого раскаленного углерода и последующем науглероживании и плавлении его.

Электродоменный процесс применяется только в странах, об­ладающих значительным запасом дешевой электроэнергии. Получение синтетического чугуна из стального лома с углеродосодержащими материалами производится в электрических печах очень редко.

Успешный ход доменного процесса обеспечивают два основ­ных условия:

1) количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определенном месте и в определенное время;

2) образование шлака должно происходить только после окончания восстановле­ния из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи двух встречных потоков: поднимающихся снизу вверх го­рячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся и плавящихся под действием тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и других примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вы­звал расстройство в ходе процесса.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Горение топлива.Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

С+02=С02+94052кал, (1)

но при движении газов вверх СО2встречает углерод раскален­ного кокса и разлагается по реакции:

С02+С = 2СО-41220/кал. (2)

Одновременно с этим идет реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

Н20пар+С = Н2 + СО-31382кал. (3)

Восстановление железа из рудыначинает происходить при по­мощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних гори­зонтах печи и идет в следующем порядке:

Fe20з ->Fез03 =FеО —Fе

прямое восстановление идет и при более высоких темпера­турах

FeO +С=Fе+СО-37284/кал

В современных экономично работающих печах примерно 60% железа восстанавливается газами и 40% — твердым углеродом.

Науглероживание железа,т. е. образование карбида железа, в условиях доменной печи начинается при 400—500°С при по­мощи окиси углерода по реакции:

ЗFеО+5СО =Fе3С + 4С02- 58028кал(18)

и продолжается при более высоких температурах

Fe3+2СО==Fe3С + С02+ 36220кал.

Плавление науглероженного железаначинается при темпера­туре, близкой к 1140°С, когда содержание углерода в нем дости­гает 4,3%, и должно заканчиваться в шахте печи до того, как начнет плавиться пустая порода.

Шлакообразование,т. е. сплавление пустой породы руды с флюсом, в печи при температуре около 1200°С.

РАБОТА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменная печь работает Круглые сутки непрерывно в течение пяти - восьмилетнего периода, называемого кампанией.

В начале кампании печи или при задувке проверяются все устройства ее, опробуется оборудование, производится сушка и разогрев кладки, готовится и грузится задувочная шихта из отборных материалов и производится задувка в течение 4—5 су­ток. Горючие материалы в горне, зажигаются горячим воздухом с температурой около 600°С. Дутье дается постепенно.

Первый выпуск шлака производится обычно через 15 часов, а чугуна — через сутки после задувки. Нормальная производительность печи до­стигается, как правило, на шестые-седьмые сутки.

Выпуск чугуна и шлака производится по графику: чугун 6 раз в сутки через каждые 4 часа, а шлак через 1,5—2 часа по мере накопления. Чугун и шлак выпускаются в ковши чугуновозов и шлаковозов, подаваемых под соответствующие желобы печи.

В зависимости от характера использования чугуна его подают либо в сталеплавильный цех для использования в жидком состоя­нии, либо 'на разливочную машину для отливки чугунных чу­шек.

В сталеплавильных цехах чугун чаще всего заливают непо­средственно в миксеры емко­стью до 1500 т, отапливаемые доменным газом. Служит миксер для выравнивания хими­ческого состава и температуры чугуна, а также для удаления из него серы.

СУЩНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с угле­родом и с другими примесями, но отличается от него меньшим содержанием их. Это обусловливает коренную разницу в процес­сах получения их: если процесс получения чугуна по преимуще­ству восстановительный, то процесс получения стали из чугуна окислительный. Он сводится к окислению примесей чугуна до нужных пределов при помощи чистого кислорода или кислорода воздуха или руды.

Все процессы в плавке стали обусловлены известными поло­жениями физической химии:

1) реакции идут в строгой последовательности в зависимости от температуры металла и шлака: при низких температурах идут экзотермические реакции, при повышении температуры — реакции с выделением малого количества тепла и при высоких температурах — эндотермические реакции;

2) скорость реакции пропорциональна концентрации дейст­вующих друг на друга масс, т. е. определяется процентным со­держанием веществ в металле и в шлаке, а также температурой и химическим сродством;

3) вещество, растворенное в металле и в шлаке, распределя­ется между ними так, что процентное содержание его в каждом из них при определенных температурах является постоянным;

4) всякая система, находящаяся в состоянии химического равновесия, на все процессы, действующие извне, отвечает воз­никновением внутри системы процессов, стремящихся уничто­жить результаты внешнего воздействия.

В далекие доисторические времена сталь получали в тесто­образном состоянии непосредственно из руд в примитивных сы­родутных горнах. Позднее в таком же состоянии сталь получали из чугуна в кричных горнах, а с 1784 г. — в пудлинговых печах. Это были малопроизводительные, физически тяжелые, требую­щие большого расхода топлива и дорогостоящие способы. В по­исках новых, более производительных и экономичных способов,были последовательно открыты способы получения стали в жид­ком состоянии: бессемеровский (1855 г.), мартеновский (1865 г.), томасовский (1878г.) и электрометаллургический (1900г.).

БЕССЕМЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Плавка стали при бессемеровском процессе, открытом Генри Бессемером в 1855—1856 гг., ведется в конвертерах.

Сущность процессазаключается в том, что кислород воздуха, продуваемого через жидкий чугун, окисляет его примеси и при интенсивно идущих реакциях образуется такое количество тепла, которого без подвода извне вполне достаточно для превращения чугуна в сталь в течение 10—12мин.Исходным материалом служит бессемеровский чугун, содержащий 0,7—1,75% кремния, 0,5—1,2% марганца и не более 0,07% фосфора и 0,04—0,06% серы.

ТОМАСОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Невозможность передела бессемеровским способом чугунов с повышенным содержанием фосфора и серы, ограничила распространение его в ряде стран. Проблему переработки фосфористых чугунов в сталь, разре­шил С. Д. Томас, применив в конвертере вместо кислой, основ­ную футеровку из обожженного доломита, связанного обезво­женной каменноугольной смолой, и известь для образования шлака и связывания фосфорного ангидрида.

Конструкция томасовского конвертера принципиально не от­личается от бессемеровского, за исключением материала футе­ровки.

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

В мировой выплавке стали главная роль принадлежит мар­теновскому производству. В нашей стране около 90% стали вы­плавляется в мартеновских печах. Причинами столь широкого распространения этого процесса являются: неприхотливость в выборе шихтовых материалов, легкость управления и контроля за ходом плавки вплоть до автоматизации, возможность вы­плавки самой разнообразной по качеству, назначению и по сор­там стали, легкая приспособляемость к любым условиям и мас­штабу производства.

Начало мартеновского процесса относится к 1865 г., когда П. и Э. Мартены во Франции построили 1,5-тонную регенератив­ную печь и получили в ней сталь удовлетворительного качества из стального лома и чугуна.

Мартеновский процесс заключается в расплавлении шихты, снижении в ней содержания углерода, кремния, марганца, удалении нежелательных примесей ( S,P) и введении недостающих элементов (легирование). Температура в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она должна составлять 1600 – 16500С. Для связывания шлаков добавляют флюс (известнякCaCO3). Избыток кислорода удаляют раскислением, вводяMnилиSi.

Мартеновская печьявляется регенеративной печью. В ней высокая температура для выплавки стали достигается тем, что участвующие в горении газ и воздух (или только воздух) нагре­ваются до 1100—1300° теплом отходящих газов в регенераторах.

Исходными материаламив мартеновском процессе являются чугун и стальной лом (скрап).

Стальной лом (скрап) сортируют по составу с целью отделе­ния легированных отходов и сплавов цветных металлов во из­бежание потерь их при плавке.

В зависимости от местных условий плавку ведут на шихте с различным соотношением в ней чугуна и стального лома, что предопределяет главные разновидности процесса.

/. Скрап-рудный процесс,в котором 60—70% шихты состав­ляет чугун, а остальную часть стальной лом, ведется на метал­лургических заводах с собственным доменным производством.

2. Скрап-процесс,в котором шихта составляется из 30—50% привозного чугуна и 70—50% стального лома, применяется на машиностроительных и металлургических заводах, не имеющих своего доменного производства. Отличается этот процесс от скрап-рудного процесса только методами завалки и плавления шихты.

3. Рудный процесс,в котором плавка ведется только на од­ном жидком чугуне без стального лома, в настоящее время не применяется по технической нецелесообразности и экономиче­ской невыгодности.

4. Карбюраторный процесс,в котором плавка ведется исклю­чительно на стальном ломе, а чугун заменен антрацитом, камен­ноугольным, нефтяным или торфяным коксом, ведется только в случаях острого недостатка или полного отсутствия чугуна на заводах. Производительность печей при этом процессе снижа­ется на 25—40%, а металл получается более низкого качества.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Основные преимущества производства стали в электрических печах, заключаются в следующем:

1) в возможности получения самых высококачественных сталей и тугоплавких сплавов с минимальным количеством га­зов, вредных примесей и неметаллических включений;

2) гибкость работы при всех режимах и характерах произ­водства с использованием твердой и жидкой завалки с любым количеством дешевого стального лома;

3) в самом малом угаре металла и особенно легирующих примесей по сравнению со всеми плавильными агрегатами;

4) в простоте устройства, компактности, легкости обслужи­вания и относительной дешевизне печей.

Исходные материалы.Основными материалами для плавки являются стальной лом, отходы и специальные заготовки.

studfiles.net

История производства стали

 

 

До н.э. в Европе уже повсюду производили кованое железо. Многие великолепные Греческие и Римские здания были построены из камня с применением железных инструментов в форме бабочки, покрытых свинцом. В 500 году до н. э. этруски, жившие на западном побережье Италии производили более 4,5 тысячи килограмм железа в год. Ковку железа осуществляли в кузнице, а для поддержания огня использовали древесный уголь. Огонь раздували при помощи специальных мехов, сшитых из шкур животных. Позже маленькие каменные печи разобрали, и начали массовую выплавку железа. Руду к печам доставляли на парусных судах. В связи с тем, что метод обработки руды, который использовали этруски, был малоэффективен, ее запасы быстро истощились. К тому же производство древесного угля резко сократило количество лесов на западе Италии.

Первая сталь была создана кельтами около 200 года н. э. Они резали кованое железо на тонкие полоски и складывали их в контейнер с обожженными костями и углем, после чего все это нагревали в печи в течение 10-12 часов на очень сильном огне. В результате поверхность металла обогащалась углеродом. Затем они эти полоски сваривали между собой посредством ковки и таким образом создавали ножи. Эти ножи стали предшественниками клинков, которые мы ошибочно называем дамасскими. Кельтский процесс производства стали в 1050 году был скопирован викингами и немцами. С тех пор в этих странах производили стальные клинки, метод изготовления которых, был строго засекречен. Дамасскую сталь производили в Пакистане и в виде булатных заготовок отправляли в Сирию, где изготавливали знаменитые дамасские клинки. Процесс производства дамасской стали очень сложный, поскольку ее необходимо было нагревать до очень высокой температуры, и если температуру превысить, то материал мог разрушиться.

Со временем температура плавления железа в печах становилась все выше, поэтому полученное железо, содержало 3-4% углерода. Оно было хрупким и подходило только для литья. Из него нельзя было делать ножи и детали для транспорта. К тому же к этому времени огромная часть лесов в Европе была вырублена для строительных целей и производства древесного угля. Тогда король Англии издал указ о том, что леса вырубать больше нельзя, и производителям стали пришлось придумать способ переработки угля в кокс. В Англии разработали метод лужения стали, при этом они смешивали расплавленное железо, с силикатом железа и оксидом железа. Силикат железа является одним из компонентов кованого железа.

Печи, работающие на угле, назвались кричным горном. Один работник должен был помешивать полученную смесь, в результате чего образовывался диоксид углерода, поэтому температура плавления железа становилась выше, и начинался процесс лужения. Внутрь помещались крупные куски весом от 90 кг до 130 кг. Другой работник с помощью пары больших щипцов брал эти куски и помещал под пресс, чтоб из них выдавить силикат железа. После пресса куски помещали в прокатный стан, где из них формировались полоски кричного железа. Эти полоски нарезали на короткие кусочки и соединяли между собой, после чего помещали их в углубление, заполненное углеродом, и нагревали до температуры сварки. После этого полоски кричного железа снова отправляли в прокатный стан и получали сортовое железо. Этот способ использовали не только в Европе, но на востоке Соединенных Штатов.

Чтоб получить сталь, тонкий сортовой прокат помещали в углубление, заполненное углеродом, полученным в результате сожжения костей, и нагревали при высокой температуре в течение нескольких дней. Углерод поглощался железом, и в результате получалась пузырчатая сталь. Пузырчатой называли цементную сталь или томленку. Это понятие появилось благодаря внешнему виду полосок, извлеченных из углеродной ямы, которые были покрыты пузырями. После этого полоски складывали вместе и ковали, затем снова складывали и ковали, таким способом получали сталь высокого качества.

Англия нуждалась в высококачественной стали, чтоб создать флот, который смог бы пресечь океан. Один предприимчивый англичанин заметил, что стеклодувы в своих печах могут получать очень высокую температуру. Он взял полоски пузырчатой стали и поместил их в керамический тигель, после чего поставил емкость в печь стеклодувов. В результате сталь расплавилась, силикат железа испарился, а углерод остался, и получилась сталь очень высокого качества. На тот момент за процессом наблюдало много людей, и он не смог сохранить его в секрете. Таким способом получали литую сталь, из которой в США было сделано большое количество старых инструментов, с маркировкой «литая сталь». Многие ошибочно считают их литыми, что следует из названия.

Новый импульс производство стали получило, когда был изобретен Бессемеровский процесс производства стали. Такую сталь применяли для строительства крупных объектов, таких как плотина Гранд-Кули, потому как она не подвержена действию коррозии. В начале 20 века приступили к производству различных сплавов. Тогда в газовых мартеновых печах к железу стали добавлять марганец, хром, никель и другие элементы. Во время Второй мировой войны, когда потребность в металле возросла, производство сплавов получило новый мощный толчок. С тех пор был сделан огромный шаг в производстве и совершенствовании различных сталей.

Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно ковать, прокатывать, она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок.

Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладает  высокой пластичностью,  способностью хорошо свариваться,  легко  куется и прокатывается в горячем и холодном состояниях. Поэтому  такая сталь является основным материалом для современного машиностроения, транспорта и других отраслей народного хозяйства страны.

В древности мягкую сталь (техническое железо) получали непосредственно из руд в тестообразном состоянии. Позднее научились  получать сталь из чугуна в кирпичном горне, также в тестообразном  состоянии. В 1740 г. в Англии стал применяться способ получения  жидкой стали в тиглях, задолго до того известный на Востоке. С 1784 г.  начали применять пудлингование — получение стали в тестообразном состоянии из чугуна окислением его примесей на поду пламенной  печи. Все эти способы были мало производительны, требовали больших затрат топлива и труда.

Бурный рост промышленности и железнодорожного транспорта во второй половине XIX в. потребовал громадного количества стали, а старые способы ее получения не могли удовлетворить эту потребность. Были созданы новые, более производительные способы плавки стали. В 1856 г. появился бессемеровский способ (названный по имени его изобретателя Г. Бессемера), а в 1878 г. — томасовский способ (предложенный С. Томасом) получения литой стали из жидкого чугуна в конвертерах. В 1857 г. крупный русский металлург П. М. Обухов получил привилегию на изобретенный им способ производства орудийной стали путем сплавления чугуна и мягкой стали. Орудийная сталь П. М. Обухова по качеству превосходила лучшие заграничные стали. С 1864 г. применяется мартеновский способ получения стали в пламенных печах (названный по имени его изобретателя П. Мартена), а с 1899 г. — способ производства стали в электропечах, основанный на применении явления электрической дуги, открытой в 1802 г. акад. В. В. Петровым.

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (окись углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переводятся в окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак. При сгорании марганец и кремний  образуют нерастворимые в металле окислы MnO и SiO2. При сгорании фосфора образуется его окись Р2О5, которая хорошо растворяется в металле. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести (состоящей преимущественно из СаО), которая и связывает Р2О5 в прочное  соединение (СаО)4 • Р2О5, нерастворимое в металле.

Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS; ее удаляют из  металла с помощью марганца или извести, которые образуют с ней  или плохо растворимое в металле соединение MnS или нерастворимое  соединение CaS.

В настоящее время  в  металлургии  страны  применяются  следующие  способы  получения  стали:  конвертерный,  мартеновский  и  электроплавка.

Электроплавка применяется, главным образом, для получения высококачественной стали и за последние годы усиленно развивается.

Технический  прогресс  в  сталеплавильном  производстве  характеризуется  интенсивным  наращиванием  мощностей  плавильных  агрегатов,  широким  применением  кислородно-конверторного  процесса  и  непрерывной  разливки  стали,  повышением  качества  металла.

 

 

biofile.ru

Процесс - получение - сталь

Процесс - получение - сталь

Cтраница 1

Процесс получения стали в кислых мартеновских печах отличается от плавки в основных печах тем, что невозможно удалить фосфор и серу.  [1]

Процесс получения стали в мартеновской печи делится на 3 периода.  [2]

Процесс получения стали в мартеновской печи делится на три периода.  [3]

Процесс получения стали из чугуна окислительный и сводится к окислению примесей чугуна до нужных пределов при помощи чистого кислорода или кислорода воздуха или руды. Получающиеся при этом окислы связываются между собой непосредственно, а также при помощи флюса и образуют шлак. В состав его включаются дополнительно части футеровки печи, плавящиеся и разъедаемые под одновременным действием высокой температуры металла и шлака. Он легко отделяется от металла и находится над ним в виде плавающего покрова вследствие меньшего удельного веса и предохраняет металл от окислительного действия дымовых газов. Другие примеси, например углерод и иногда сера, удаляются в атмосферу в виде газообразных соединений. В дальнейшем металл доводится до требуемого состава и в расплавленном состоянии выпускается в сталеразливочные ковши.  [4]

Процесс получения стали основан на удалении из чугуна избытка углерода и других примесей с помощью кислорода воздуха и каких-либо окислов; поэтому процесс получения стали из чугуна является окислительным. Производство стали осуществляется различными способами: в конвертерах, в мартеновских и электрических печах и тигельным способом.  [5]

Процесс получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода и нормальных примесей. Сталь выплавляют из передельного чугуна и стального лома.  [6]

Процесс получения стали в бессемеровском конверторе является дуплекс-процессом: вагранка - кислый бессемер.  [7]

Процесс получения стали в мартеновской печи делится на три периода.  [8]

Все процессы получения стали из чугуна или из шихты, составленной из чугуна и стального лома, являются окислительными процессами, заключающимися в удалении из них примесей главным образом при помощи кислорода воздуха, или руды. Получающиеся - при этом окиси связываются между собой непосредственно или при помощи флюса и образуют шлак. Он легко отделяется от металла и находится над ним в виде плавающего покрова вследствие значительной разницы в удельном весе. Другие примеси, например углерод и отчасти сера, удаляются в атмосферу в виде газообразных соединений.  [9]

То масонский процесс получения стали, открытый в 1878 г. английским металлургом С. В отличие от бессемеровского, томасовский конвертор выложен не кислым, а основным огнеупором - доломитом. Томасовский конвертор по размерам несколько превосходит бессемеровский ( рассчитаны они на одинаковую емкость заливаемого чугуна), так как в нем образуется много шлака.  [11]

Сущность процесса получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода путем его окисления, в наиболее полном удалении серы и фосфора, а также в доведении до нужных пределов содержания кремния, марганца и других элементов.  [12]

Изобретение процесса получения стали и железа из чугуна путем продувки последнего в расплавленном состоянии воздухом относится к числу замечательных достижений технической мысли. Изобретатель процесса англичанин Генри Бессемер в 1855 г. взял патент на передел чугуна в сталь - путем продувки его паром или воздухом. Тогда же была высказана мысль об использовании кислорода для продувки металла в конвертере.  [13]

В процессе получения стали основным способом из фосфористого чугуна в шихту добавляют известь. При продувке воздуха через расплавленный чугун примеси ( кремний, марганец, фосфор и другие) образуют окислы, переходящие в шлак. Фосфорный ангидрид взаимодействует с известью с образованием в-шлаке тетракальцийфосфата 4СаО - Р2О5, растворимого в 2 % - ной лимонной кислоте. Расплавленные шлаки после охлаждения в воде подвергают дроблению и измельчению, после чего они готовы к употреблению. Шлаки затаривают в многослойные бумажные мешки при температуре не выше 40 С.  [14]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

История производства стали

История производства стали берет начало с тех времен, когда на земле появилось человечество. За все это время сделано огромное множество замечательных открытий и изобретений. Но способы добычи стали по праву можно назвать главным среди всех изобретений, среди всех открытий.

Автор фото: Сергей Богомяко

Это благодаря стали человек стал могущественным, способным сдвигать горы и поворачивать реки, смог покорить океаны и небесные выси. Тысячелетия отделяют нас от того времени, когда впервые был получен этот поистине чудесный материал. Изготовление некоторых видов стали долгое время было в секрете. Так на протяжении столетий существовала тайна булата, которую смогли разгадать только в XIX столетии, (подробнее: Изготовление булата).

В наши дни мощь и богатство любой страны определяются в первую очередь тем, сколько стали выплавляют ее заводы.

Добыча руды

Для производства стали прежде добывают руду и топливо. Но, даже имея в достаточном количестве железную руду и каменный уголь, (подробнее: Природные энергоносители) нельзя еще приступать к изготовлению стали. И руду и уголь необходимо по-особому приготовить. Руду обогатить, из каменного угля сделать кокс.

Обогащение руды

Долгий и сложный путь проделывает руда, прежде чем превратится в сталь. И первый этап на этом пути – обогащение руды на обогатительная фабрика.

Сначала руду дробят с помощью машин, которые так и называются дробилками. Первая, самая мощная, раскалывает крупные глыбы на куски. Затем вторая превращает эти куски в щебень и так далее. До тех пор, пока из руды не получится крупа. Но и этого еще не полное обогащение. Далее отправляют руду на мельницу и превращают ее в порошок. И только теперь начинается то, что металлурги называют обогащением, – отделение руды от сопутствующей породы, с которой она вместе лежала в земле.

Происходит это так. Порошок смешивают с водой и пропускают между магнитами. Магниты и выбирают из мутного потока частицы магнитного железняка. А то, что не нужно, – это уже не трудно догадаться, – уносится водой. Но даже такая отобранная руда еще не пригодна для дальнейшей переработки. Содержание железа в ней значительно повысилось. Однако и это еще не все. Руду снова надо превратить из порошка в куски. Для этого порошок смешивают с коксом, известью и сильно нагревают.

Кокс

Для выплавки стали главным топливом служит каменный уголь. Но не в том виде, который добывают шахтеры. Добытый уголь содержит много примесей, которые могут вредно повлиять на будущий металл. И поэтому их необходимо удалить.

Уголь, как и руду, для этого сначала размалывают в тончайший порошок. Потом этот порошок в специальной камере нагревают без доступа воздуха. Из угля выделяются газ и смола. Вместе с ними уходят и другие ненужные примеси. А сам угольный порошок спекается в плотную пористую массу.

Пышущую жаром массу выталкивают из камеры на металлическую платформу и охлаждают водой. От резкого охлаждения масса разваливается на куски. Эти куски и есть кокс.

Вот теперь и руда и топливо подготовлены. Можно приступать к плавке. Но пока еще не к плавке стали. Прежде чем железная руда превратится в сталь, ей еще предстоит стать чугуном. Этот процесс происходит в домне.

Домна – это печь-гигант. Даже десятиэтажный дом не кажется очень большим рядом с такой печью. Горит эта печь непрерывно в течение десятков лет. Металлурги время от времени загружают в нее руду, кокс и известь – она тоже во время плавки необходима, – и выпускают готовый чугун. Какие процессы происходят в домне, как руда превращаться в чугун?

Чтобы разобраться в этом, надо снова вернуться к железной руде.

Чугун

Железная руда – это окисленный металл, т.е. соединение железа с кислородом. Для получения чистого металла необходимо вести борьбу с кислородом. Эта борьба начинается, когда металлурги загружают в домну руду и кокс. При высокой температуре кислород соединяется с углеродом кокса и расстается с железом. Получается углекислый газ. А оставшийся углерод тут же занимает место кислорода и соединяется с железом. Железо плюс углерод – это и есть чугун.

Чтобы ускорить плавку, в металлурги стали использовать кислород против кислорода. Для того чтобы жарче горело пламя, в домну накачивают не просто воздух, а чистый кислород.

Современные домны работают на природном газе. А это не только ускоряет плавку, но и значительно сокращает расход кокса. Что дает возможность получать более дешевый чугун.

Путь удешевления металла

Металлургия прошла еще один путь удешевления металла. Путь этот – замена дорогого человеческого труда трудом машин. Если раньше все работы по обслуживанию домны в основном выполнялись вручную, теперь в помощь металлургам пришли транспортеры, погрузочные механизмы, подъемные краны. Многие операции вообще выполняются без участия человека. Их выполняют автоматы.

В настоящее время домна работает почти совсем без помощи людей. Все процессы автоматизированы.

Автоматика принимает от приборов сообщения о качестве руды и кокса и отдает команду механизмам-исполнителям, сколько надо отвесить и загрузить в печь того и другого. Потом она проверяет температуру в печи. Если надо, добавит или убавит кислорода, газа.

К желобу, по которому из печи выпускают металл, подъедет железнодорожная платформа с ковшами. Специальная бурильная машина рассверливает отверстие для слива металла, оно называется леткой. А закрывают леточное отверстие с помощью специальной пушки. Посредством поршневого механизма подается огнеупорная масса, которой и закрывается канал после слива чугуна.

Сразу же после слива металла начинается загрузка шихтового материала через колошник – верхнюю часть печи, ведь плавка в домне идет непрерывно.

Сталь

Речь идет о том, как руда превращается в сталь. Ведь чугун, первая ступень на пути этого превращения. Но чем отличается чугун от стали, ведь это тоже металл?

Чугун нельзя ковать, трудно обрабатывать на металлорежущих станках. И это потому, что в нем очень много углерода. А углерод – вещество хотя и очень твердое, но хрупкое. Вот и железо, соединившись с ним в доменной печи, стало очень хрупким.

Другое дело – сталь. Она и ковке поддается – ее можно штамповать, придавать стальным листам разную форму. Ее и на станках обрабатывают, вытачивают всевозможные детали.

Чугун так же необходим в производстве. Из него отливают те изделия, которые потом не требуют тщательной обработки. Например, станины, на которых станки стоят, маховики для моторов, трубы. Но основная часть чугуна, идет в дальнейшую переработку – на изготовление стали.

Мартеновские печи

Один за другим наполнились ковши – чугуновозы, и состав отправляется в цех, где выстроились в ряд мартеновские печи. Что такое мартеновские печи? Здесь уже знакомый нам чугун снова попадает в пламень. Правда, не сразу. Такое количество чугуна, которое прислала сюда домна, мартены переработать сразу не могут. Их в цехе много, но они значительно меньше домны. Поэтому чугун сначала попадает в термосы. Здесь, в мартеновском цехе, их называют миксерами. Их задача: не дать чугуну охладиться, сохранить его жидким. Отсюда по мере необходимости и берут его сталевары для заливки в мартены.

Не просто сварить сталь. Тем, кто это делает, не только многое уметь надо, но и очень многое знать. Ведь это от них зависит, какая сталь выйдет из мартена – прочная ли и упругая, из которой потом изготовят рельсы для поездов и самые ответственные детали машин, или мягкая, которая пойдет, к примеру, на изготовление листов для крыши.

Каждую марку стали варят в мартенах по особой технологии. Тут и металлолом, и цветная руда, и марганец, и никель, и хром и многое-многое другое требуется. А главное, конечно, чугун.

Началась загрузка печи. Подъемные краны одну за другой подхватывают многотонные коробки – мульды, заносят в печь и высыпают содержимое. Называется эта операция завалкой печи. Но вот опрокинут последний короб. Все сильней бушует в печи пламя. Бригадир смотрит на приборы. Металлолом, известь и руда достаточно прогрелись. Настал момент заливать чугун. Его уже привезли из миксеров, он стоит тут и нестерпимо пышет жаром. Стальная рука крана подхватывает ковш и выливает расплавленный чугун в огнедышащую пасть мартена. Варка стали началась. Теперь все зависит от сталевара, от его умения, опыта.

Автор фото: Сергей Богомяко

Конечно, современному сталевару верно служит техника. Она вооружила его разными приборами. Они подробно сообщают ему о том, что делается в печи, но нет-нет да и опустит бригадир на глаза защитные очки, заглянет через специальное отверстие в клокочущее нутро мартена. Время от времени посылают сталевары пробы металла в специальную лабораторию. Очень быстро работает лаборатория. Ее даже за скорость на металлургических заводах называют «экспресс-лабораторией». Так скоро сообщает она тем, кто стоит у мартенов, сколько в данный момент углерода, серы, фосфора и других элементов в металле. Но вот проходит положенный срок, взята последняя проба, по всему цеху разнесся по радио результат последнего анализа – металл готов. Словно солнце вспыхивает в цехе. Поток металла устремляется в изложницы.

Но что же произошло в мартене? Почему чугун превратился в сталь? Чтобы это понять, вспомним, что произошло с рудой в домне. Там, железо рассталось с кислородом. Его место занял углерод.

В мартене из чугуна удаляют часть углерода. Он сгорает в кислороде воздуха, который непрерывно подают в печь автоматы. И чем больше выгорает углерода, тем более вязкой, более мягкой выходит из печи сталь. А если от нее требуются какие-то основные качества, их придадут ей специальные добавки – марганец, хром, кремний. Словом, то, что положено по технологии для данной марки стали. Технике нужна разная сталь. И сталевары выполняют все ее запросы.

Сталь сварена. Выпущенная из мартена, она попала в изложницы. Здесь она постепенно охладилась и застыла. Но изложницы – это огромные ванны. И когда сталь вынимают из них, получаются слитки металла в несколько тонн весом. Поэтому сталь сначала превращают в бруски, удобные для работы. Делают это на специальных обжимных станах. Их называют блюмингами.

Современный блюминг – очень большая и сложная машина. Она похожа на длинную роликовую дорогу. Заранее разогретые огромные слитки металла с большой скоростью проносятся по ней. По пути они попадают в стальные валки. Эти валки со всех сторон обжимают слитки и превращают их в бруски нужных размеров.

Автор фото: Сергей Богомяко

И только после этого бруски отправляют на прокатные станы, где из них делают рельсы, балки, трубы, стальные листы или толстые и тонкие прутки. Все, что необходимо.

Кислородно-конвертерный способ

Кроме мартеновского способа производства стали на современном этапе существует кислородно-конвертерный способ с комбинированной продувкой. Процесс получения стали из чугуна этим способом происходит без затрат топлива. В конвертере происходит продувка чугуна чистым кислородом. Чугун окисляется, происходит выделение тепла, сгорают ненужные примеси и, как результат, происходит раскисление металла.

История производства стали непростая. Чтобы выйти на современный уровень, было пройдено много этапов. От слитка металла полученного на костре и поковки в кузне, до современных сталеплавильных заводов с прокатными и механическими цехами.

libtime.ru

---

• 
  Соединительная муфта для валов
• 
  Температура вулканизации резины
• 
  Ппр что это такое в эксплуатации
• 
  Холодная обкатка двигателя
• 
  Устройство автомобилей
• 
  Конструкции мостов
• 
  Регулировка рулевой колонки мтз 82
• 
  Как включить передний мост на уаз 469
• 
  Устройство автокрана
• 
  Уаз буханка регулировка тормозов
• 
  Регулировка плуга на т 150