Применение конструкционной углеродистой стали качественной в сфере производства и потребления

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Достижения науки и техники, развитие всех отраслей промышленности и сельского хозяйства непосредственно  связаны с производством и  использованием черных металлов. Они по своим свойствам, экономичности использования в народном хозяйстве не имеют себе равных в большинстве сфер применения. Сталь выступает как один из основных видов этих металлов.

Основными потребителями  стали являются такие отрасли  как машиностроение, строительство, транспорт, приборостроение, из стали изготавливаются детали машин, летательных аппаратов, приборы, различные инструменты и строительные конструкции.

Производство стали - это второе звено в производственном металлургическом цикле: руда - чугун - сталь - изделие. Методы широкого производства стали были открыты в середине 19 века. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. За последние полтора столетия в производстве стали произошло много изменений. Отошли в прошлое такие способы, как тигельная плавка, пудлинговый процесс и многие другие, которые хотя и обеспечивали получение качественной стали, но были трудоемки и малопроизводительны. Основными способами выплавки стали в настоящее время являются кислородно-конвертерный (более 60% от всей массы выплавляемой в мире стали), электросталеплавильный (около 25%) и мартеновский (коло 20%) способы.

Производство высококачественной стали является основной задачей  металлургии. Произведенная малотрудоемкими и высокопроизводительными способами сталь будет способствовать ускорению научно-технического прогресса в других отраслях народного хозяйства страны. От обеспеченности металлом, качества металлопродукции зависят темпы роста экономики и эффективность общественного производства.

 
1.Применение конструкционной углеродистой стали качественной в сфере производства и потребления

Сплавы на основе железа являются основными материалами  для изготовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от ее состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

В строительстве широко применяют углеродистые стали качественные, как достаточно дешевые, технологичные и обладающие необходимым комплексом свойств при изготовлении многих металлоконструкций специального назначения.

Углеродистые стали качественные производят в больших масштабах. Кроме строительства, их используют в машиностроении и других отраслях народного хозяйства. В основном эти стали используют в горячекатаном состоянии без дополнительной термической обработки. Как правило, они имеют феррито-перлитную структуру. В ряде случаев прокат подвергают термическому упрочнению.

Качественные углеродистые стали применяют для изготовления металлоконструкций нагруженных деталей машин и приборов.

Аналогом является сталь  горячекатаная для армирования железобетонных конструкций, обладающая лучшими техническими свойствами, но и более высокой стоимостью производства. Также как аналоги с некоторым допущением можно выделить конструкционные стали обыкновенного качества и высококачественные.

 
2. Классификационные признаки конструкционной углеродистой стали качественной

Углеродистые стали  классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления, и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0.3% С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0.7% С).

По назначению стали  классифицируют на конструкционные  и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования.

По качеству стали  классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей – серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями. Поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% серы и 0,07% фосфора, качественные – не более 0,04% серы и 0,035% фосфора, высококачественные – не более 0,025% серы и 0,025% фосфора. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

По степени раскисления  и характеру затвердевания стали  классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (кремний менее 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали  по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По структуре в равновесном  состоянии стали делятся на:

1. доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;
2. эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;
3. заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цеменит вторичный.

Классификация по ОКП РБ

Секция D. Продукция перерабатывающей промышленности.

 Подсекция DJ. Основные металлы и готовые металлические изделия.

 Раздел 27. Основные металлы.

 Группа 27.3. Прочие черные металлы и ферросплавы.

 Класс 27.33. Изделия из углеродистой или нержавеющей стали, полученные с использованием операций штамповки или гибки.

 Категория 27.33.11. Изделия из углеродистой или нержавеющей стали.

 Подкатегория 27.33.11. Уголки, фрезы и профили из углеродистой стали.

Классификация по ТН ВЭД

Раздел XV. Недрагоценные металлы и изделия из них.

Группа 72. Черные металлы.

Позиция 7206. Углеродистая сталь в слитках или прочих первичных формах.

3. Потребительские свойства конструкционной  углеродистой стали качественной

Текучесть — способность углеродистой стали обыкновенного качества обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика. Перемещение частиц формовочных смесей должно происходить при возможно минимальном усилии в процессе формовки и обеспечивать одинаковое уплотнение во всех частях формы (стержня) без рыхлых мест и пустот.

Пределом текучести s _т называется наименьшее напряжение, при котором деформация образца происходит при постоянном растягивающем усилии. Величина предела текучести вычисляется по формуле

Ударная вязкость – степень  деформирования стали при ударах.

Временное сопротивление  разрыву  - наибольшее напряжение растяжению, предшествующее разрушению арматуры.

Относительное удлинение  – отношение изменения длины  изделия к его первоначальной длине при максимальной нагрузке, предшествующей разрыву.

Относительное сужение  показывает отношение изменения  ширины изделия при растяжении к его первоначальной ширине.

 
4. Технология производства конструкционной  углеродистой стали качественной и ее технико-экономическая оценка

Основными способами  выплавки углеродистой стали в настоящее время являются кислородно-конвертерный (более 60% от всей массы выплавляемой в мире стали), электросталеплавильный (около 25%) и мартеновский (около 20%) способы.

Для выплавки стали используются шихтовые материалы: чугун (жидкий или твердый); стальной или чугунный лом; железная руда; металлизованые окатыши; ферросплавы; флюсы.

Основу шихты составляет чугун (55%) и металлолом (45%). Соотношение содержания указанных компонентов зависит от типа технологического процесса, места расположения завода (его удаленность от сырьевой базы) и др. В качестве шихты используется твердый или жидкий чугун. В последнем случае чугун из доменного цеха поступает в миксер – сосуд цилиндрической формы, футерованный огнеупорным кирпичом и заключенный в стальной кожух. В верхней части миксера имеется отверстие для заливки чугуна, а сбоку – специальный желоб для его выпуска в ковш и транспортировки к конвертерам или мартеновским печам. В миксере чугун не только хранится, но и выравнивается его химический состав. Сера частично вместе со шлаком периодически удаляется из миксера.

В шихте для выплавки углеродистой стали используется металлолом, который образуется на металлургических заводах в результате обрезки металла при прокатке, изготовления бракованных слитков, на машиностроительных предприятиях – в виде стружки и отходов при штамповке, а также амортизационного лома (отслуживших машин, рельсов и др.). Прежде чем использовать лом в сталеплавильных агрегатах, необходимо провести его предварительную обработку.

В сталеплавильном производстве в качестве флюсов используется известняк, известь, боксит, плавиковый шпат; окислителями служат железная руда, окалина, кислород, агломерат и прочие компоненты.

Применяется газообразное топливо – доменный, генераторный, коксовый, природный газ; жидкое – мазут, смола; твердое – каменноугольная пыль. От выбора исходных материалов, их подготовки к плавке зависит не только качество выплавляемой стали, но и ее себестоимость.

Кислородно-конвертерный метод выплавки стали – это один из вариантов конвертерного метода, предложенного в 1856 году Г. Бессемером. В настоящее время он полностью вытеснил как бессемеровский (в конвертере с кислой футеровкой), так и томасовский (в конвертере с основной футеровкой) конвертерные процессы с воздушным дутьем. К преимуществам конвертерного метода по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным методами относятся:

• более высокая производительность сталеплавильного агрегата, достигающая 500 т/ч (производительность других методов не превышает 100 т/ч);
• более низкие капитальные затраты в следствии простоты устройства конвертера;
• меньшие расходы по переделу сырья в сталь, в том числе отсутствие затрат на топливо;
• простота автоматизации и управления процессом плавки.

В то же время применение для продувки чистого (не менее 99,5%) кислорода вместо воздуха позволяет по сравнению с другими конвертерными методами:

- получать сталь, не  содержащую азота;

- за счет избытка  тепла, сверх необходимого для  разогрева металла до температуры  выпуска, использовать шихту, содержащую до 25% твердого сырья (стальной лом, руда), что существенно снижает себестоимость выплавляемой стали.

Суть кислородно-конвертерного  способа производства стали заключается в том, что сталь производится в конвертере, представляющем собой стальной сосуд грушевидной формы вместимостью 100 – 350 тонн. Поворот конвертера осуществляется электродвигателями через систему редукторов. Перед началом процесса конвертер поворачивают в наклонное положение, загружают металлический лом и заливают жидкий чугун, имеющий температуру 1250 – 1400 градусов С. Затем конвертер ставят в вертикальное положение, загружают известняк, опускают водоохлажденную форму и подают кислород под давлением 1,01 – 1,4 МПа. При воздействии кислорода на жидкий металл прежде всего окисляется железо, а образующийся оксид железа взаимодействует с примесями (углеродом, кремнием, марганцем). Одновременно идет процесс окисления примесей чистым кислородом.

Известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак. Сера удаляется в шлак с момента продувки и в течение всей плавки. Контроль плавки ведется по спектру пламени, выходящего из горловины конвертера.

По ходу плавки берут пробы металла  на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному, продувку прекращают, поднимают фурму и, повернув конвертер в горизонтальное положение, выпускают сталь через летку в ковш, а затем через горловину сливают шлак.

В готовой стали остается кислород в виде оксида железа. Для его  восстановления в ковш вводят раскислители. Если сталь полностью раскислена и при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали в качестве раскислителей сначала вводят ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.

В тех случаях, когда из стали не удален кислород, при ее разливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимодействует с углеродом. Образующийся оксид углерода интенсивно выделяется из кристаллизирующегося слитка. Поверхность металла бурлит, поэтому такую сталь называют «кипящей».

При получении кипящей стали  в качестве раскислителя вводят только ферромарганец. Закончив раскисление, приступают к разливке по изложницам. Температура стали при разливке 1600 – 1650 градусов С.

Основные технико-экономические  показатели работы конвертера: продолжительность плавки в конвертере вместимостью 350 т составляет 50 минут, годовая производительность конвертера вместимостью 250 т – более 1,5 млн т, выход годного металла – 90-92%, удельный расход кислорода – 50-55 м³ на 1 т стали. Основным показателем является себестоимость выработки 1 т стали.

Действующие современные мартеновские печи – это крупные сталеплавильные агрегаты сложной конструкции с большим количеством различных дополнительных устройств. Строительство их связано с крупными капитальными затратами. Поэтому одновременный отказ от мартеновского способа производства стали и переход к кислородно-конвертерному и электросталеплавильному способам экономически нецелесообразен. Этим объясняется высокая доля мартеновской стали, выплавляемой до настоящего времени в нашей стране.

Мартеновский процесс выплавки стали ведут на поду пламенной  отражательной печи, снабженной регенераторами тепла отходящих газов для подогрева воздуха и топлива, подаваемых в печь. В зависимости от состава металлической печи различают две разновидности процесса:

1. Скрап-процесс, в котором основным компонентом шихты является стальной лом (скрап) с добавкой 25 – 40% чугуна, облегчающего рас плавление лома, являющегося источником углерода. Скрап-процесс используется в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в которых нет доменного производства.
2. Скрап-рудный процесс, в котором основным компонентом шихты является жидкий чугун с добавкой 45 –25% скрапа и железной руды для окисления примесей в чугуне. Этот процесс применяется на заводах, имеющих собственное доменное производство.

Процессы плавки в мартеновских печах делят на кислые и основные. Характерные особенности кислого процесса: печь футеруется кислым огнеупорным кирпичом, используется шихта с малым содержанием серы и фосфора, удаление которых в кислых печах затруднено. При основном процессе плавки футеровка печи выполняется из магнезитового или доломитового кирпича, для удаления серы и фосфора в шихту вводят известняк.

 Основной скрап-рудный процесс включает заправку пода и откосов, завалку и прогрев твердой шихты, заливку жидкого чугуна, плавление, кипение, раскисление, доводку и выпуск готовой стали.

Заправка пода и откосов заключается  в засыпке доломитовым или  магнезитовым порошком выбоин и ямок, разъеденных шлаком. Для лучшей приварки порошка к поду эту операцию проводят при повышенных температурах.

Завалка шихты производится завалочными  машинами. Сначала загружают часть лома, а на него – известняк и железную руду. После прогрева загружают остальной лом и нагревают до температуры плавления чугуна.

Заливка жидкого чугуна производится из ковша по специально установленному желобу.

В период загрузки и плавления шихты  происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, а после образования шлака – содержащегося в оксиде железа, растворенном в шлаке. Окисление примесей идет по тем же реакциям, что и при конвертерном процессе. Известняк переводит в шлак серу и фосфор.

Важным моментом плавки является период кипения – выделение образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл при этом перемешивается, выравниваются его температура и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения. По достижении требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем быстрого анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки – доводке и раскислению металла. В печь вводят рассчитанную долю ферромарганца и ферросилиция, в результате чего уменьшается содержание оксида железа в металле (металл раскисляется).

После раскисления берут контрольную  пробу металла и шлака, пробивают летку и по желобу выпускают сталь в ковши. Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8 – 16 часов. Печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи в основном зависит от стойкости ее свода.

Мартеновский процесс выплавки стали имеет ряд существенных особенностей. К ним относятся:

1. использование в качестве источника тепла реакций сгорания непосредственно в печи газообразного и жидкого топлива (природный газ, мазут, смесь коксового и доменного газов);
2. поступление тепла от горящего факела топлива к ванне сверху и отвод тепла снизу, вследствие чего температура шлака превышает температуру металла;
3. окислительный характер газовой фазы, состоящей во все периоды плавки из оксида углерода, кислорода, паров воды и азота;
4. макрогетерогенность системы «металл-шлак», в которой металл находится под слоем шлака. Вследствие этого все добавки, кислород и тепло поступают в металл через шлак. Поэтому изменение состава, консистенции и температуры шлака существенно влияют на состав и качество выплавляемой стали;
5. участие пода печи в протекающих в ней процессах шлакообразования вследствие длительности процесса плавки.

Основными показателями, характеризующими работу мартеновских печей являются: съем стали с 1 м² площади пода в сутки расход металлошихты на 1 т годных слитков, расход условного топлива на 1 т стали, выплавка стали на одного рабочего, себестоимость 1 т мартеновской стали.

В настоящее время часть крупных  мартеновских цехов реконструировано: на месте мартеновских печей установлены дуговые сталеплавильные агрегаты или обычные мартеновские печи были заменены на двухванные с использованием кислорода как интенсификатора плавки. Применение методов внепечной обработки стали в сочетании с системами автоматизации контроля и управления технологическим процессом плавки позволяет повышать качество металла и использовать мартеновские печи для производства высококачественных сталей.

Выплавка стали в электрических  печах основана на использовании для нагрева, расплавления и поддержания металла в расплавленном состоянии электрической энергии, трансформируемой в теплоту. В отличие от кислородно-конвертерного метода при электроплавке выделение тепла не связано с использованием окислителей. Поэтому, плавку в электрических печах можно вести в любой атмосфере – окислительной, восстановительной, нейтральной (инертный газ) и в широком диапазоне давлений – в вакууме, при атмосферном или повышенном давлениях.

К основным достоинствам электросталеплавильного метода относятся:

1. быстрый нагрев металла;

2. применение без окислительных шлаков;

3. точное и плавное регулирование температуры и состава металла;
4. высокая степень раскисления металла;
5. возможность получения сталей с низким содержанием серы и фосфора.

Однако, несмотря на эти достоинства  электроплавке, высокое потребление электроэнергии обусловило использование ее преимущественно для производства высококачественных (с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных примесей) сталей.

В настоящее время для выплавки стали применяют дуговые и индукционные электрические печи, которые являются наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами.

Наибольшее распространение в  металлургической промышленности получили дуговые электрические печи. Вместимость электродуговых печей колеблется от 2,5 до 200 тонн. В перспективе предусматривается строительство печей вместимостью 300-400 тонн. При плавки стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов. Чугун применяется для науглероживания металла, руду добавляют для окисления примесей.

Плавка в электропечи начинается с заправки пода и завалки шихты. На под печи сначала загружают  мелкий стальной скрап, затем более крупные куски шихты. Укладка шихты должна быть плотной. По окончании загрузки опускают электроны до легкого соприкосновения с кусками металла, затем включают ток 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, затем берется проба стали для быстрого определения содержания в ней углерода и марганца. Затем снова удаляется шлак. Первый период плавки заканчивается дефосфорацией металла до содержания фосфора 0,01-0,012% и окислением примесей, однако в стали остаются еще кислород и сера. Во втором периоде плавки производятся раскисление, десульфурация и рафинирование стали. С этой целью наводят новый шлак, добавляя известь, плавиковый шпат и молотый кокс. После этого сталь раскисляют ферромарганцем и ферросилицием. В присутствии восстановительного известкового шлака сера переходит в шлак. В конце второго периода плавки берется проба стали, металл доводится до заданного состава. Окончательное раскисление стали производят алюминием. Печь наклоняют и готовую сталь выпускают через отверстие по желобу в ковш. Продолжительность плавки – 2-4 часа в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали.

В общем объеме выплавки стали доля выплавляемой в электропечах непрерывно растет. Широкое применение этого способа сдерживается из-за большого расхода электроэнергии и высокой стоимости получаемой стали.

Блок-схема процесса производства конструкционной

углеродистой стали

1. Чугун транспортируется из доменного цеха в сталеплавильный цех для дальнейшей переработки
2. В миксере чугун хранится и выравнивает свой химический состав
3. Чугун из миксера поступает в сталеплавильную печь
4. Чугун превращается в сталь посредством уменьшения в нем углерода, кремния, и марганца и полном удалении таких примесей как сера и фосфор
5. Готовую сталь разливают в ковши
6. Жидкую сталь разливают по изложницам, в которых она затвердевает в форме слитка

5. НТД на углеродистую сталь обыкновенного качества, нормируемые показатели качества в соответствии с требованиями НТД

ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали»

ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод  измерения твердости по Роквеллу»

Таблица 5.1. Массовая доля элементов в различных марках стали