Общие основы сталеплавильного производства

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ОСНОВЫ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

НА  ТЕМУ:

ОБЩИЕ ОСНОВЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Выполнил

студент:  Солдатенко В. А. 

группа: ЭУ-09д

Проверил: к.т.н., доцент Фарунда Н.А.

Москва, 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

История развития сталеплавильного производства

Сталью  называют деформируемый (ковкий) сплав  железа с углеродом и другими примесями. Получение железа в чистом виде представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Механические свойства, в частности прочность, чистого железа ниже свойств сплавов железа. В чистом виде железо — материал дорогой, его используют для специальных целей. Обычно в технике и в быту используют сталь. Значение черных металлов вообще и стали в частности в народном хозяйстве огромно. Без использования стали не могли бы развиваться ни горная промышленность, ни транспорт, ни машиностроение, ни сельское хозяйство. За последние 60— 100 лет во много раз увеличилось производство цветных металлов, особенно алюминия, однако доля черных металлов в мировом производстве продолжает оставаться преобладающей и почти неизменной — около 95 % от общего производства металлов. В течение многих лет уровень экономической мощи того или иного государства определялся в первую очередь количеством выплавленной стали. При этом основную массу составляли так называемые рядовые марки стали; доля качественных и высококачественных марок была невелика.

  Настоящий период развития металлургии характеризуется  коренным изменением как масштабов производства качественной и высококачественной стали и доли ее в общем производстве, так и методов ее получения. Это связано с рядом обстоятельств:

   1) для производства стали требуются:  добыча и обогащение железной руды, добыча угля и получение из него кокса, добыча добавочных материалов, сооружение металлургических заводов, что связано с огромными и все возрастающими (в связи с истощением запасов богатых руд и дефицитом коксующихся углей) затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов;

2) развитие техники позволяет  непрерывно повышать эффективность  металлургического   производства,   т.е.   из   того   же   количества   руды   и угля получать все большее количество металлоизделий; 3) непрерывное и осуществляемое все возрастающими темпами перевооружение промышленности связано с выводом из строя устаревшего оборудования и соответственно с получением большого количества металлолома; металлолом (а не железная руда) все в большей мере становится основным сырьем для производства стали (это относится прежде всего к развитым в промышленном отношении странам — странам с большой "металлоемкостью" народного хозяйства); 4) высокие требования к качеству стали привели к разработке новых технологий, что существенно изменило в последние годы положение дел в сталеплавильной промышленности. Требования новых отраслей техники к качеству многих марок стали резко возросли 20-30 лет тому назад и продолжают возрастать. Это привело к увеличению масштабов производства стали и сплавов, содержащих ничтожно малое количество газов, неметаллических включений и других нежелательных примесей, однородных по свойствам. Были разработаны новые способы обработки металла, как в самом агрегате, так и вне него. Возможность получения стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей при минимальном развитии ликвации обеспечивает возможность роста промышленного производства без увеличения количества выплавляемой стали.

  Все это вместе взятое явилось причиной новой ситуации в промышленности, при которой масштабы выплавки стали уже не характеризуют промышленную мощь. Главными становятся высокое качество, чистота и надежность металлопродукции. Неизбежное при этом усложнение технологии оправдывается достигаемым результатом

  Вся история металлургии характеризуется непрерывным совершенствованием технологии. Условно процесс непрерывного совершенствования методов и технологии производства стали можно разделить на ряд этапов.

Первый  этап. Прямое получение  железа из руды.

  Существовало  много разновидностей сыродутного процесса, причем в некоторых установках получали за одну операцию, длившуюся 6—7 ч, до 200 кг железа. Недостатки сыродутного способа производства (малая производительность, большой расход топлива, значительные потери железа со шлаком, высокая трудоемкость процесса и низкое качество металла) определили повсеместное исчезновение этого способа к концу XIX в. (в XX в. сыродутные горны еще можно было встретить в Африке).

Второй  этап.   Получение   кричного  (сварочного)  железа  из чугуна.  

Кричный   процесс – это двустадийный   процесс: вначале   получение   чугуна,   а   потом   получение    из    чугуна    низкоуглеродистого    металла. Этот процесс более производительный, чем получение железа из руды.

  Сущность  кричного способа переработки чугуна в железо и сталь заключается в расплавлении чугуна в горне на древесном угле и окислении углерода, кремния, марганца и других примесей кислородом дутья и действием шлаков, богатых оксидами железа.

Выложенный  огнеупорными материалами или водоохлаждаемыми   чугунными  плитами  горн  наполняют  древесным  углем, разжигают его и подают дутье. После того как уголь хорошо разгорелся, присаживают чугун и богатые оксидами железа шлаки. Чугун помещают обычно на уровне фурмы или несколько выше ее, он постепенно плавится и капельками стекает вниз. Одновременно с этим под действием кислорода дутья и оксидов железа шлака происходит окисление (выгорание) примесей чугуна. По мере окисления примесей чугуна (в частности, углерода) повышается температура его плавления (температура плавления чугуна 1100—1200 °С, низкоуглеродистого железа ~1500 °С). Температура в горне достигает 1300-1400 °С, т.е. достаточна для расплавления чугуна, но недостаточна для поддержания в жидком виде образующегося низкоуглеродистого сплава. По мере окисления примесей металл становится все более тугоплавким и все более вязким. В результате на дне горна получается зернистая тестообразная железистая масса, которую собирают в один ком, или крицу, извлекают из горна и подвергают обработке под молотом для удаления из металла шлака и образования возможно более плотного и однородного куска железа. В связи с тем, что горючие материалы, применяющиеся в кричном производстве, находятся в тесном соприкосновении с металлом, они должны быть чистыми от золы и вредных примесей. В большинстве промышленных стран кричный процесс как крайне непроизводительный и дорогой исчез в конце XIX— начале XX вв. Низкая производительность и высокая стоимость кричного передела, а также массовое уничтожение лесов вокруг промышленных центров, вызванное необходимостью получения больших количеств древесного угля, — все это заставляло  искать  более  производительный  способ  производства кричного железа, причем такой, при котором можно было заменить чистый древесный уголь другим топливом — более дешевым и менее дефицитным.

Третий  этап. Возникновение  способа получения  жидкой (литой) стали.

Наиболее  древним из всех существующих способов получения стали в жидком, расплавленном виде, т.е. так называемой литой стали, является тигельный процесс.

  Выплавка  стали в тиглях производится следующим  образом: в тигли вместимостью обычно 25—35 кг загружают металлическую шихту, по составу близкую к стали, которую необходимо получить. Закрытые крышками тигли помещают в горны или пламенные регенеративные печи (передача тепла металлу осуществляется через стенки тигля).

  Тигельная сталь характеризуется очень  высокими механическими свойствами как вдоль, так и поперек направления  прокатки или ковки. Отсутствие окислительной  атмосферы и раскисляющее действие материала тигля, а также сравнительно невысокие температуры процесса, не позволяющие перегреть металл, дают возможность получать плотную сталь с ничтожным количеством неметаллических включений и низким содержанием газов.

  Однако  тигельный процесс также имеет ряд существенных недостатков, к ним относятся низкая производительность труда, высокие требования к чистоте исходных материалов, малая стойкость тиглей (до трех плавок), высокий расход топлива и другие.

Четвертый этап. Возникновение  относительно простых и дешевых способов массового производства литого металла.

  Простой и дешевый способ получения литой  стали в больших количествах  путем продувки жидкого чугуна воздухом. Продувку чугуна проводили в специальном  агрегате — конвертере с кислой футеровкой. Способ получил название конвертерного (бессемеровского).

  Принцип использования тепла отходящих  газов для подогрева топлива и воздуха в так называемых регенераторах был разработан Сименсом, поэтому в ряде стран процесс называют сименсмартеновским. Во Франции и в России он получил распространение под названием мартеновского.

  Конвертерный  и мартеновский способы явились  базой, обеспечивающей бурный рост индустриальной мощи промышленно развитых стран.

Пятый этап. Развитие электрометаллургии стали.

В конце  XIX—начале XX вв. были созданы и начали работать электропечи различных конструкций. Особенно бурными темпами электросталеплавильное производство развивается в последние десятилетия. Появились дуговые сталеплавильные печи вместимостью 200—350 т. Развитие электрометаллургии стимулируется также возможностью переплава больших количеств такой дешевой шихты, как металлический лом. К настоящему времени уже большое число промышленно развитых стран выплавляют в электродуговых печах более 20—30 % всей стали. Высокопроизводительные дуговые электросталеплавильные печи часто устанавливают на смену старых, отслуживших свой срок мартеновских печей.

Шестой  этап. Интенсификация сталеплавильного процесса кислородом.

К концу 50-х годов использование кислорода в сталеплавильном производстве стало обычной практикой, которая оказала существенное влияние на масштабы выплавки стали в мире. В результате только за 10 лет (с 1960 по 1970 г.) мировое производство стали возросло   с   346   до   603 млн.   т.   Основная   масса   стали,   производимой в настоящее время в мире, выплавляется в агрегатах, где роль окислителя выполняет технически чистый кислород.

Седьмой этап. Появление и  распространение  переплавных процессов.

На процессы удаления из стали вредных  примесей влияют такие факторы, как изменение давления, увеличение поверхностей контакта взаимодействующих фаз, ускорение процесса охлаждения металла, использование плазменной и электронно-лучевой технологии и др. В результате появились и получили за последние годы значительное распространение такие способы переплава стали, как вакуумный индукционный (ВИП), вакуумный дуговой (ВДП), электрошлаковый (ЭШП), электроннолучевой, плазменный и др. Поскольку в этих процессах осуществляется переплав стали, предварительно выплавленной в "обычном" агрегате (конвертерах, мартеновской печи, электродуговой печи), такие процессы называют переплавными. Эти способы сравнительно дорогостоящие и малопроизводительные, но обеспечивают получение металла очень высокого качества с особыми свойствами.

Восьмой этап. Появление  и развитие внепечной, вторичной или ковшевой металлургии.

Многие  технологические операции, проводимые для уменьшения содержания вредных  примесей в металле и повышения  его качества, можно перенести из плавильного агрегата в ковш (или иной агрегат, заменяющий ковш), специально оборудованный устройствами для соответствующей обработки жидкого металла. Производительность плавильного агрегата при этом возрастает, одновременно обеспечивается повышение качества стали. Для удаления из металла вредных примесей, усреднения состава и регулирования температуры металл в ковше подвергают вакуумированию, продувают инертными газами, обрабатывают жидкими или порошкообразными смесями или специальной лигатурой, подвергают электромагнитному перемешиванию и т.п. Поскольку эти операции в некоторых случаях продолжительны, а металл постепенно охлаждается, были созданы устройства для подогрева металла в процессе его обработки, т.е. ковш превратился в самостоятельный иногда довольно сложный агрегат. Эти методы получили название ковшевой (или вторичной) металлургии, внепечной обработки или внепечного рафинирования. Помимо повышения качества, внепечная   обработка   обеспечивает   стабильность свойств металла данной марки, что очень важно потребителям; в результате она за очень короткий срок (в течение 70-х годов XX в.) получила повсеместное распространение. В настоящее время сотни миллионов тонн выплавляемой в мире стали подвергают той или иной внепечной обработке.

Девятый этап. Развитие методов непрерывной разливки.

  Создание  работоспособных агрегатов непрерывной  разливки стали позволило: а) существенно  снизить расход жидкой стали для  получения 1т проката; б) улучшить условия  для повышения качества стали; в) обеспечить реальное начало нового этапа в металлургии: получение готового стального продукта или полупродукта непосредственно из жидкого металла ("прямая прокатка"); г) повысить производительность труда металлургов. В настоящее время в промышленно развитых странах практически вся выплавляемая сталь разливается на установках непрерывной разливки.

  Приведенная выше схема исторического развития сталеплавильного производства условна. Появление тех или иных новых способов производства стали и методов, обеспечивающих повышение ее качества, происходит во времени и многие способы (и старые, и новые) существуют одновременно.

Классификация стали

Полученные  тем или иным способом стали чрезвычайно  разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

  Единой  мировой системы классификации  стали нет. Многие компании и фирмы  пользуются своими системами классификации стали.

  По  способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. Иногда требуется еще большее уточнение, например "кислая мартеновская сталь" и т.п. Очень часто от способа производства зависят некоторые особенности качества металла. Например, несмотря на одинаковый химический состав и одинаковую последующую термообработку, свойства основной и кислой мартеновской стали различны, и это учитывают и потребители этой стали, и сталеплавильщики.

  По  назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций.
2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок.
3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.
4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.
5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.

По качеству стали обычно делят на следующие  группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений.

  По  химическому составу различают  стали: углеродистые (в том числе  низко-, средне-, высокоуглеродистые), низколегированные, легированные (в том числе хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

  Установлены единые условные обозначения химического  состава стали:

Элемент ...      С     Mn    Si       Cr      Ni      Mo    W    V    Al      Ti

Обозначение УГСХНМВФЮТ

В обозначении  марок стали по стандарту цифры  с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода в сотых  долях процента (для инструментальных сталей — в десятых долях процента). Буквы справа от цифр, выражающих среднее процентное содержание углерода, обозначают, наличие соответствующего элемента в стали. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание соответствующих элементов.

По характеру  застывания стали в изложницах различают  спокойные, кипящие и полуспокойные  стали.

  Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количествах и другие параметры. Все это учитывают потребители металла.

Основные  реакции и процессы сталеплавильного производства

1. Термодинамика сталеплавильных процессов.

В ходе сталеплавильных процессов выделяется (или поглощается) теплота, достигается (или нарушается) равновесие протекающих реакций, лучистая энергия факела или электрической дуги превращается в тепловую и происходят другие энергетические процессы. Науку, изучающую законы теплового   равновесия   и   превращения   теплоты   в   другие   виды анергии, называют термодинамикой. Химическая термодинамика изучает равновесие химических реакций, их тепловые эффекты. Обычно сталеплавильный агрегат представляет собой довольно сложную систему. Для характеристики системы используют величины, называемые параметрами состояния и параметрами процесса.

Параметры состояния - величины, служащие для характеристики состояния системы.

Параметры процесса — величины, характеризующие процесс, т.е. изменение системы, связанное с изменением параметров состояния. К их числу относятся энтальпия, энтропия, энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.

Энергию Гельмгольца называют "свободной энергией при постоянном объеме"; также используют название "изохорно-изотермический потенциал" (сокращенно "изохорный потенциал").

  Сталеплавильные процессы обычно протекают при давлениях, близких к постоянным (т.е. являются изобарическими); для оценки этих процессов используют параметр G, предложенный американским ученым Гиббсом, определяемый через энтальпию Н:

G = H-TS.

  Энергия Гиббса связана с энергией Гельмгольца  соотношением

G = A + pV,

где р— давление, V— объем.

  18-тый   конгресс Международного  союза  чистой  и  прикладной  химии  в  1961 г. рекомендовал   использовать   символ   G   и   название   "энергия Гиббса".   В   настоящее   время   не   существует   методов   определения   абсолютного   значения   величин   U,   A,   H,   S,   G.   Для проведения   термодинамических   расчетов   условились   принимать    энтальпию    простых    веществ    (элементов)    при    25 °С (298 К)    равной     нулю    (Я₂₉₈ = 0);     энтропии    всех    веществ принимают   равными   нулю   при   абсолютном   нуле   (S₀ = 0   при Т = 0).   Соответственно   для   термодинамических   расчетов   используют   величины   изменения   Я,   S,   G,   а   именно:   ДЯ,   AS, AG. Напомним, что при постоянном давлении Q_p = —ДЯ.

  Общее    уравнение    для    определения    изменения    энергии Гиббса AG при температуре Т

AG_T = ДЯ_Т - TAS_r.

  Для проведения практических расчетов и  сравнимости получаемых результатов оказалось удобным определять изменения для каждого рассматриваемого процесса (реакции) при стандартных условиях. В качестве стандартных обычно принимают условия, при которых парциальные давления для каждого компонента равны 100 кПа, активности каждого компонента равны 1, а конденсированные вещества (жидкости и твердые тела) в чистом виде находятся под давлением 100 кПа. Для того чтобы показать, что параметры заданы при стандартных условиях, используют индекс ° (ДС7°, ДЈ°, ДЯ°). Между стандартным изменением AG° и константой равновесия существует непосредственная связь:

AG° = -RT In K_p.

  Это соотношение применимо для любой  температуры. В качестве "стандартной" принимают обычно температуру 25 °С, т.е. 298,15 К (обозначают индексом 298). При стандартных условиях и стандартной температуре параметры процесса обозначают следующим образом: AG%_m, ДЯ°₉₈, AS%_9i.

100 кПа = 1 атм.

  В большинстве случаев температура  металлургических процессов существенно  отличается от стандартной, поэтому  величины ДЯ могут существенно отличаться от величины АЯ°₉₈. Изменение величины ДЯ в зависимости от температуры связано с изменением теплоемкости:

Г

dH/dT = ДС_Р; ДЯ_Т = ДЯ°_ЭД + $ AC_pdT.

2 98

  Если  в пределах исследуемых температур происходит изменение состояния какого-либо компонента (аллотропическое превращение, плавление, испарение — это также обычно указывается в таблицах), то тепловой эффект этого изменения (часто используют понятие теплоты превращения L_np или Ј?пр) должен быть учтен в расчетах:

^ПР у

ДЯ_Т = ДЯ°₉₈ + 5 AC_vdT±L_m+ $ AC_pdT.

298 '"пр

  Значения  величины изменения энтропии AS° при изменении температуры также изменяются. Уравнение для расчета значений  изменения энтропии при  изменении температуры  имеет

вид

    Т   ДС_Р Л5° = S —zr dT.

    о На   практике   зачастую   температурные   условия   по   ходу процесса   существенно   меняются.   Это   необходимо   учитывать, чтобы  дать  тому или иному процессу точную количественную

оценку.

Чаще всего  используют формулу

  AG = AH- TAS, где ДЯ и AS близки к средним значениям ДЯ и AS для данного    интервала    температур.    В    таблицах    значения    приводят обычно в виде AG = А + ВТ.

При изменении  температуры изменяются и ДЯ и  AS, но AS изменяется в большей мере, в результате оказывается, что AG < 0; при равновесии AG = 0, поэтому величина AG, если реакция написана в направлении ее протекания, всегда получается  с  минусом. Если в  результате  расчета  величина  AG получается с плюсом, то реакция (процесс) идет в обратном направлении. Процесс или реакция могут идти самопроизвольно лишь в том случае, когда энергия Гиббса системы уменьшается.

  Изменение энергии Гиббса используют для определения меры химического сродства веществ. Константа равновесия К_р характеризует степень протекания реакции в ту или иную сторону. Поскольку ДО° = Д#°-ТД5⁰ и AG° * -RTln К_р, то -RTla К_р = ДЯ° - ГД5Я, откуда R In К_р = Д5°-ДЯ°/Г. Отсюда видно, что чем больше величина AS° и чем Меньше ЬН°/Т, тем полнее идет реакция. Из уравнения видно также, что чем выше температура, тем большее значение имеет величина Д5° (энтропийный фактор) и меньшее LH°/T (энтальпийный фактор). При производстве стали протекают процессы окисления железа и его примесей (углерода, кремния, марганца) и образования соответствующих оксидов (СО, SiOj, MnO). Способность железа и его примесей окисляться, т.е. химическое сродство к кислороду, часто выражают при помощи давления   диссоциации    оксидов.   

Ме  ₊ 0₂ = Ме0₂;К_р = а_Ше0у(а_ш._Ро).

  Таким образом, давление диссоциации является мерой прочности оксида: чем меньше эта величина, тем прочней оксид.

  Обычно  в качестве стандартного состояния  выбирают либо чистое вещество, либо однопроцентный раствор этого вещества.

  Для термодинамических расчетов активность представляет собой вспомогательную  расчетную величину, которая «характеризует степень связанности молекул, атомов или ионов исследуемого компонента. При образовании данным компонентом в растворе каких-либо соединений его активность понижается, и, Наоборот, активность возрастает при уменьшении сил взаимодействия между частицами растворителя и растворенного вещества.

  Большинство компонентов, встречающихся в металлургической практике, образует в железе растворы, далекие от идеальных. Соотношения между составом и свойствами большинства реальных растворов очень сложны и не всегда ясны. Положение облегчается тем, что обычно мы имеем дело с растворами в железе небольших количеств (часто < 1 %) других компонентов. При уменьшении концентрации растворенного вещества свойства реального раствора приближаются к свойствам идеального. Такие растворы принято называть бесконечно разбавленными или разбавленными. В этих случаях принято использовать закон Генри, согласно которому в разбавленном растворе давление пара растворенного вещества Pi прямо пропорционально его концентрации c_h т.е. pj-rcj, где г — коэффициент (константа Генри). Обычно реальные растворы подчиняются закону Генри при изменении концентрации в интервале от долей процента до нескольких процентов.