Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Анализ способов выплавки стали

Министерство образования и науки

Российской федерации

Федеральное агентство по образованию

Московский Государственный Строительный Университет

РЕФЕРАТ

На тему: «Анализ способов выплавки стали »

Выполнил студент :

(институт, курс ,группа) Иванов А.А., ИИЭСМ, IV-3

Проверил: профессор, доктор технических наук Гудков А.А.

«___»_________2014

____________________________

Москва 2014

Содержание

Введение

1.Способы выплавки стали

2.Рафинирование литейных сплавов

3.Модифицирование литейных сплавов

4.Технологические свойства металлов и сплавов

5.Применение в системах ТГВ

Заключение и общие выводы

Список используемой литературы

Введение

Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. Такие металлы, как железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец, нашли свое применение еще до нашей эры.

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционный материал.

Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.

Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. Еще в середине 70х годов прошлого столетия академик Патон Б.Е. назвал двадцатый век «железным», не согласиться с ним невозможно. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на глубоких теоретических исследованиях, крупных открытиях, сделанных в разных странах мира, и богатом практическом опыте.

Развитие металлургии идет по пути дальнейшего совершенствования плавки и разливки металла, механизации и автоматизации производства, внедрения новых прогрессивных способов работы, обеспечивающих улучшение технико-экономических показателей плавки и качества готовой продукции.

1.Способы выплавки стали

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Производство стали в мартеновских печах:

Мартеновская печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис. 3. Схема мартеновской печи

Температура факела пламени достигает 1800 0C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают мало спекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

– скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

– скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды (15…30 % от массы металлической части шихты). Железную руду добавляют для ускорения окисления примесей чугуна. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Производство стали в кислородных конвертерах:

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму..

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. Конвертер крепится в литом стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек, поэтому в процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30 %), известь для наведения шлака, железная руда, а также бокситAl2O3 и плавиковый шпат CaF2 для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап (рис. 4, а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0C (рис. 4, б).

Рис. 4. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 4, в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Фурма не доходит до уровня металла на 1200…1400 мм, поэтому кислород подается на поверхность залитого в конвертер металла, а не вдувается под зеркало металла (как воздух в ранее применяемых конвертерах). Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 4, г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 4, д).

Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является большое пылеобразование, обусловленное обильным окислением и испарением железа.

Производство стали в электропечах:

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи.

Дуговая плавильная печь:

Схема дуговой печи показана на рис. 5. Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6.Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса имеется рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна для скачивания шлака или желоба для слива стали. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн.

Рис. 5. Схема дуговой плавильной печи

В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава);

б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. Шихта для такой плавки должна иметь меньше, чем в выплавляемой стали марганца и кремния, а также пониженное содержание фосфора. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных углеродистых сталей. Плавка проводится в два периода: окислительный и восстановительный.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали – конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

Индукционные тигельные плавильные печи:

В индукционных плавильных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.

Вместимость - от десятков килограммов до 30 тонн.

Индукционные печи могут оснащаться системами для создания вакуума или контролируемых атмосфер.

Так как в индукционных печах тепло возникает в металле, шлак в них нагревается только через металл.

Схема индукционной тигельной печи представлена на рис. 6.

Рис. 6. Схема индукционной тигельной печи

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла печь имеет съёмный свод 2.

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, так как окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно.

2.Рафинирование литейных сплавов

Рафинирование металлов - это очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96‒99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную ценность. Так, стоимость золота и серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на Р. Различают 3 основных метода Р.: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов Р.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное Р. основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при Р. Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Р. осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить Р. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При Р. стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очищения его от неметаллических включений. Р. стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных металлов.

Электролитическое Р. с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое Р. с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

Химическое рафинирование основано на различной растворимости металла и примесей в растворах кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического Р. может служить аффинаж благородных металлов. Р. Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

3.Модифицирование литейных сплавов

Модифицирование - искусственное изменение структуры литого металла и сплава, заключающееся в измельчении микрозерна, изменении формы, размера и распределения структурных составляющих. Модифицирования сплавов производится добавлением в расплав в небольших количествах модификаторов — веществ, к-рые, присутствуя в малых количествах, влияют на процесс кристаллизации, изменяя структуру. Измельчение зерна металла и структурных составляющих сплава при кристаллизации может быть достигнуто созданием концентрационного градиента, тормозящего рост кристаллов, и искусственным образованием труднорастворимых частиц, к-рые, являясь затравками, способствуют началу кристаллизации во всем объеме жидкости. Обычно в качестве модификатора выбирают добавку, к-рая образует с компонентами сплава тугоплавкие соединения, кристаллизующиеся в первую очередь. Такой способ модифицирования применяется для алюминиевых сплавов (введение Ti, V, Zr, Мп), для чугунов (обработка Mg с целью изменения формы графита — см. Модифицирование чугуна), для сталей (добавление А1). Модифицирование структуры литого сплава оказывает влияние на св-ва не только в литом состоянии, но и при всей последующей обработке сплава. Модифицирование улучшает горячую деформируемость сплава, повышает механические св-ва и влияет на процессы превращения в твердом состоянии. Напр., в алюминиевых сплавах модифицирование уменьшает склонность к росту зерна при рекристаллизации, в сталях приводит к получению т. н. природно-мелкозернистых сплавов, т. е. сталей с малой склонностью к росту аустенитного зерна при нагревах для термической обработки.

Др. способ модифицирования структуры литейных сплавов заключается в создании условий, увеличивающих переохлаждение расплава, т. е. приводящих к снижению фактич. темп-ры кристаллизации сплава. Такие условия возникают в результате значительного перегрева жидкого металла. Более эффективен способ введения спец. модификаторов. Напр., для литейных алюминиевых сплавов (силуминов) чаще применяется обработка расплава натрием или его солями.

4.Технологические свойства металлов и сплавов

Под технологическими свойствами металлов и сплавов понимают способность металла подвергаться различным видам обработки. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся: литейные, ковкость, или деформируемость, в горячем и холодном состоянии, свариваемость, прокаливаемость и обрабатываемость резанием.

Литейные свойства металла определяются температурой канала определенного сечения при заданных условиях гидростатического напора и температуры сплава и формы. При испытаниях жндкотекучести. стали производится одновременно отливка нескольких прутков с сечением в виде пирамиды высотой 8 мм и основаниями 5 и 8 мм и по среднеарифметическому определяется средняя длина. Жидкотекучесть выражается в миллиметрах длины отлитого прутка.

Литейная усадка — отражение различия между плотностью металла или сплава в твердом и жидком состояниях. Для изготовления моделей при отливке важнейших сплавов применяют специальные «усадочные метры».

Способность металла или сплава к ликвации и образованию пор определяется методами микроструктурного анализа.

Ковкость металла — способность воспринимать пластическую деформацию в процессе изменения формы (без появления признаков разрушения) при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании. Ковкостью обладают металлы как в горячем, так и в холодном состоянии.

Способность металлов воспринимать деформацию зависит от их химических, механических свойств, скорости деформации, температуры и величины обжатия на каждом переходе. Известно, что стали с небольшим содержанием углерода и легированные никелем и марганцем деформируются лучше, чем высоколегированные, хромоникелевые, высокоуглеродистые, жаростойкие, быстрорежущие и другие. Точно так же материалы с высокими показателями удлинения, сужения и ударной вязкости обладают большой способностью к восприятию деформации.

Деформируемость металлов определяется при технологических испытаниях. Некоторые методы технологических испытаний на деформируемость материалов (технологические пробы) стандартизованы.

Температура плавления чистых металлов — температура превращения кристаллов в жидкий сплав является их физической константой. Она определяется по диаграмме состояния.

Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму зависит от вязкости, поверхностного натяжения расплава и температуры заливки. Определяется жидкотекучесть металла по длине заполнения длиной, прямолинейной или спиралевидной формы
данных, и поэтому оценка качества металла при испытаниях производится визуально по состоянию поверхности материала после испытания.
Испытание на асадку (ГОСТ 8817—73) применяется для круглого и квадратного проката (диаметром или стороной квадрата до 30 мм при испытании в холодном состоянии и до 150 мм в горячем) из стали или алюминиевых сплавов с целью определения их способности принимать заданную по размерам И форме деформацию сжатия. Образец для пробы должен иметь диаметр (или сторону квадрата), равный диаметру испытуемого материала. Высота стального образца должна быть равной 2 диаметрам, алюминиевого 1,5, а торцовые плоскости перпендикулярны его оси. Проба состоит в осаживании образца под прессом или молотом до высоты, определяемой величиной деформации. Отсутствие после осадки на поверхности образца трещин, надрывов или излома является признаком того, что образец выдержал пробу.
Проба на изгиб в холодном и нагретом состоянии (ГОСТ 14019—68) применяется для пластических металлов при толщине пруткового и листового материала а до 30 мм. Толщин) образца а должна быть равна толщине материала, а ширина его В=2а, но не менее 10 мм и длиной ^«5а+150 мм. Проба на изгиб материалов более 30 мм, а также поковок, отливок и труб производится на образцах методами, предусмотренными соответствующими технологическими условиями на поставку металлов.
Различают загибы: на определенный угол а, до параллельности сторон вокруг оправки (угол а = 0) и до соприкосновения сторон образца. Степень нагрева образца должна быть оговорена в технических условиях.
Образцы, выдержавшие испытания, не должны иметь трещин, надрывов, расслоений или изломов

5.Применение в системах ТГВ

К ᴏϲʜовным ϲᴎстемам ТГВ относятся ϲᴎстемы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, горячего водᴏϲʜабжения, газᴏϲʜабжения, теплᴏϲʜабжения. Важно сказать, что для устройства данных ϲᴎстем применяются главным образом металлы и металлические изделия. В ᴏϲʜовном в санитарно-технических устройствах используются черные металлы - сталь и чугун, т.к. ᴏʜи достаточно прочны и дешевле других металлов.

Металл находит самое широкое применение в строительстве. Из металла изготавливаются основные элементы санитарно-технических устройств: трубы, соединительные и фасонные части трубопроводов, вентиляционные воздуховоды, арматура, котлы, вентиляторы, отопительные приборы и т.д.

Металлы имеют характерный металлический блеск в изломе, обладают пластичностью, высокой электро-и теплопроводностью. Чистые металлы вследствие низкой прочности и твердости в производстве используются редко. В системах ТГВ применяются в основном сплавы металлов с металлами или неметаллами (металлоидами), например кремнием, углеродом.

Трубы из цветных металлов и сплавов находят широкое применение в теплообменных аппаратах( бойлерах),а кроме того для изготовления труб для подключения импульсных газопроводов для ᴨᴩᴎсоединения КИП и приборов автоматики.

Трубы латунные для теплообменных аппаратов изготовляют из латуни марок Л68 по ГОСТ 21646-76. Их диаметр 14-19 мм, толщина стенки 0,8-2 мм.

Важно сказать, что для подключения приборов КИП и автоматики к импульсным газопроводам используются медные круглые тянутые, холоднокатанные трубы общего назʜачᴇʜᴎя, соответствующие требованиям ГОСТ 617-72* из меди марок М1, М1р, М2, М2р,М3, М3р по ГОСТ 859-78, томпака марки Л96 по ГОСТ 15527-70*.

Заключение

Список используемой литературы

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия М.:«Металлургия», 4издание, 1985г.

2. Воскобойников В.Г., Макаров Л.П. Технология и экономика переработки железных руд, М.: «Металлургия», 1977г., 255с

3. Технология металлов и конструкционные материалы /под ред. Б.А. Кузьмина – М.: « Машиностроение», 1981г

4. Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.Я. Технология металлов и других конструкционных материалов, Издание второе

Анализ способов выплавки стали 📙 Реферат → 🆔 24772