Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Производство стали. 7

СОДЕРЖАНИЕ

1. Сущность процесса

1.1 Кислородный конвертер

2. Производство стали в мартеновских печах

2.1 Мартеновская печь

2.2 Мартеновский процесс

3. Разливка стали

3.1 Изложницы

3.2 Непрерывная разливка стали

4. Затвердевание и строение стальных слитков

4.1 Кипящая сталь

4.2 Спокойная сталь

4.3 Полуспокойная сталь

5 Способы повышения качества стали

5.1 Вакуумная обработка стали

5.2 Обработка стали синтетическим шлаком

5.3 Электрошлаковый переплав

5.4 Вакуумно-дуговой переплав

5.5 Плазменно-дуговой переплав

5.6 Электронно-лучевой переплав

Список литературы

1. Сущность процесса

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, примесей серы и фосфора. Исходные материалы для получения стали — передельный чугун и стальной лом (скрап). Следовательно, сущностью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

В настоящее время сталь получают в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом.

1.1 Кислородный конвертер (рис. 1) представляет собой сосуд 1 грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное. Кислород подается в него под давлением 0,8...1 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии 0,3...0,8 м.

Конвертеры изготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м3.

Материалами для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и стальной лом. Для наводки шлака в конвертер добавляют железную руду и известь, а для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.

Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.

Изменение металла по ходу плавки показано на рис. 2. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Одновременно образуется активный шлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление серы и фосфора с образованием устойчивых соединений P2O5- ЗСаО и CaS в шлаке.

В момент, когда содержание углерода достигает заданного для выплавляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем — шлак.

Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертера раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si, Mn, A1). Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МпО, SiO2, А1203, переходящие в шлак.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400...500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электропечей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.

рис.2

2. Производство стали в мартеновских печах

2.1 Мартеновская печь (рис. 3) представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая температура в которой (1750... 1800 °С) достигается за счет сгорания газа в плавильном пространстве. Газ и воздух подогреваются в регенераторах. Слева от плавильного пространства 7 находятся каналы для газа 3 и воздуха 4, соединенные с регенераторами 1 и 2. Такие же каналы для газа 9 и воздуха 8 имеются справа от плавильного пространства 7; они соответственно соединены с регенераторами 10 и 11. Каждый из регенераторов имеет насадку из выложенного в клетку огнеупорного кирпича. Шихта загружается через окна 5.

Подаваемые в печь газ и воздух проходят через предварительно нагретые до температуры 1200... 1250 °С регенераторы 10 и 11, нагреваются в них и поступают в плавильное пространство печи. Здесь газ и воздух смешиваются и сгорают, образуя пламя высокой температуры. Продукты сгорания по каналам 3 и 4 поступают в регенераторы 1 и 2, нагревают их, охлаждаясь до 500...600 °С, и уходят в дымовую трубу 13. По мере охлаждения регенераторов 10 и 11 направление газа и воздуха в печи меняют на обратное переключением клапанов 12 и 14. Тогда газ и воздух поступают в плавильное пространство по каналам 3 и 4, пройдя нагретые регенераторы 1 и 2, а продукты сгорания выходят по каналам 8 и 9, нагревают насадку регенераторов 10 и 11 и уходят в трубу 13. Таким образом, газ и воздух при работе печи проходят через попеременно нагреваемые то левые, то правые регенераторы.

Мартеновские печи, работающие на мазуте, имеют с каждой стороны по одному регенератору для нагрева только воздуха.

В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 900 т жидкой стали. Важной характеристикой этих печей является также площадь пода 6. Для печи емкостью 900 т она составляет около 120 м2.

2.2 Мартеновский процесс. Материалами для выплавки стали в мартеновской печи могут быть: стальной лом (скрап), жидкий я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте различают:

1) скрап-рудный процесс на шихте из жидкого чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;

2) скрап-процесс на шихте из стального лома и 25...45 % чушкового передельного чугуна.

Флюсом в обоих процессах обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы металла).

Более широкое применение в металлургии получил скрап-рудный процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксида железа руды и скрапа:

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fe20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Ре20з= ЗСО + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью:

FeS + СаО == FeO + CaS.

Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Для интенсификации процесса плавления и окисления примесей ванну продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые фурмы. Продувка кислородом позволяет в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления шихты начинается период кипения ванны. В это время интенсивно окисляется углерод в металле. В момент, когда содержание его достигает заданного, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума, кипение прекращают и начинают раскисление стали в ванне печи ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Скрап-процесс применяют на машиностроительных заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько отличается завалкой и плавлением шихты.

Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.

Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода печи в сутки и расход топлива на тонну выплавленной стали. На отечественных заводах съем стали составляет около 10 т/м2 в сутки, а расход топлива при скрап-рудном процессе— 120... 180 и при скрап-процессе — 170... 250 кг/т.

Интенсификация мартеновского производства достигается использованием печей большей емкости, хорошей подготовки шихтовых материалов, автоматизации процесса плавки. Повышению производительности печей и экономии топлива способствует применение кислородного дутья. я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте различают:

1) скрап-рудный процесс на шихте из жидкого чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;

2) скрап-процесс на шихте из стального лома и 25...45 % чушкового передельного чугуна.

Флюсом в обоих процессах обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы металла).

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fе20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Fе20з= ЗСО + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью:

FeS + СаО == FeO + CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.

3. Разливка стали

Выплавленную в плавильной печи сталь выпускают в сталеразливочный ковш (рис.4) и мостовым краном переносят к месту разливки в слитки. Емкость ковша обычно определяется емкостью плавильной печи и составляет 5...250 т. Для крупных плавильных печей применяют ковши емкостью до 450 т (диаметром и высотой до 6 м).

Сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для непрерывной разливки.

3.1 Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. Масса слитков для прокатки обычно составляет 10...12 т (реже —до 25 т), а для поковок достигает 250...300 т. Легированные стали иногда разливают в слитки массой в несколько сотен килограммов.

Применяют два способа разливки стали в изложницы: сверху и сифоном.

При разливке сверху (рис. 5,а) сталь заливают из ковша 2 в каждую изложницу 1 отдельно. При такой разливке поверхность слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязненной пленками оксидов.

При сифонной разливке (рис. 5 ,Б) сталью заполняют одновременно от 2 до 60 установленных на поддоне 5 изложниц через центровой литник 3 и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение, поверхность слитка получается чистой, сокращается время разливки. Сталь в надставке 4 сохраняется в жидком состоянии, благодаря чему уменьшаются раковина и отходы слитка при обрезке.

Разливку сверху обычно применяют для углеродистых, а разливку сифоном — для легированных сталей.

3.2 Непрерывная разливка стали производится на специальных установках — УНРС (рис. 6). Жидкую сталь из ковша 6 через промежуточное устройство 5 непрерывно заливают сверху в водоохлаждаемую изложницу без дна — кристаллизатор 4, а из нижней его части вытягивают со скоростью 1...2,5 м/мин с помощью валков 3 затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой, окончательно затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком 2 на слитки определенной длины. Полученные слитки с помощью кантователя / опускаются на роликовый конвейер и подаются на прокатные станы.

На УНРС получают слитки прямоугольного сечения размерами от 150 Х 500 до 300 Х 200 мм, квадратного со стороной от 150 до 400 мм, а также круглые в виде толстостенных труб.

Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в слитках., полученных на УНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход годных заготовок может достигать 96... 98 % массы разливаемой стали, поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка — плотным и однородным строением.

4. Затвердевание и строение стальных слитков

Процесс затвердевания стального слитка и образование кристаллической структуры в нем был рассмотрен выше. Необходимо добавить, что строение слитка определяется не только условиями охлаждения, но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и полуспокойные.

4.1 Кипящей называют сталь, не полностью раскисленную в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице за счет взаимодействия оксида железа FeO с углеродом. Образующийся при этом оксид углерода СО выделяется из стали не содержит неметаллических примесей, обладает высокой пластичностью.

4.2. Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше (рис. 7, Б). Такая сталь затвердевает без выделения газов, в слитке образуется плотная структура, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает выход годного металла.

4.3. Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В этом случае слиток не имеет концентрированной усадочной раковины, в нижней части он обычно имеет строение спокойной, а в верхней — кипящей стали (рис. 7 ,в). Такая сталь по качеству и стоимости является промежуточной между кипящей и спокойной.

5 Способы повышения качества стали

Выплавленные в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах стали не всегда удовлетворяют по своим свойствам требованиям современной техники. Для повышения их качества разработаны специальные технологические процессы внепечного рафинирования и рафинирующих переплавов.

Из методов внепечного рафинирования стали наиболее широкое применение получила обработка в вакууме и жидкими синтетическими шлаками.

5.1. Вакуумную обработку применяют для уменьшения содержания в стали растворенных газов и неметаллических включений. С этой целью выплавленную в мартеновских или электрических печах сталь выдерживают в течение 10..,15 мин в специальных камерах с остаточным давлением 265...665 Па в ковше или при заливке в изложницу. При понижении давления растворимость газов в стали (азота, водорода) уменьшается и они в виде пузырьков всплывают на поверхность, захватывая с собой и неметаллические включения.

Вакуумная обработка позволяет уменьшить в 3...5 раз содержание газов и в 2...3 раза неметаллических включений в стали, что способствует повышению ее прочности и пластичности.

5.2. Обработка стали синтетическим шлаком заключается в следующем. В разливочный ковш перед выпуском стали из плавильного агрегата наливают 3...5 % по отношению к массе стали жидкого шлака, содержащего 55 % СаО, 42 % Al2O3, до 3 % SiO2 и 1 % FeO. Затем в ковш по возможности с большей высоты мощной струёй выпускают выплавленную сталь. В результате интенсивного перемешивания стали и шлака поверхность их взаимодействия увеличивается в сотни раз по сравнению с той, которая имеется в печи. Поэтому процессы рафинирования резко ускоряются и для их протекания требуется уже не 1,5...2 ч, как обычно в печи, а примерно столько, сколько уходит на выпуск плавки.

Рафинированная синтетическим шлаком сталь отличается низким содержанием кислорода, серы и неметаллических включений, что обеспечивает ей высокую пластичность и ударную вязкость.

К числу рафинирующих переплавов относятся: электрошлаковый, вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой, электронно-лучевой и др.

5.3. Электрошлаковый переплав (ЭШП) заключается в следующем. Переплавляемая сталь подается в установку в виде расходуемого (переплавляемого) электрода 1 (рис. 8). Расплавленный шлак 2 (смесь 60...65 % CaF2, 25...30 % Al2O3, CaO и другие добавки) обладает большим электросопротивлением и при прохождении электрического тока в нем генерируется тепло, достаточное для расплавления электрода. Капли металла проходят слой шлака, собираются в ванне 3 и затвердевают в водоохлажденной изложнице 4, образуя слиток 5. При этом кристаллизация металла происходит последовательно и направлена снизу вверх, что способствует удалению неметаллических включений и пузырьков газа и тем самым образованию плотной и однородной структуры слитка. В конце переплава поддон 6 опускают и затвердевший слиток извлекают из изложницы.

Современные установки ЭШП позволяют получать слитки различного сечения массой до 40 т.

5.4. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) осуществляется в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом 2 (рис. 9), при этом слиток 4 образуется, как и при ЭШП, в водоохлаждаемой изложнице 3. В корпусе 1 печи поддерживается вакуум около 1,5 Па, что способствует хорошей очистке металла от газов, а направленная кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических включений, получение плотной структуры и исключает образование усадочной раковины. Емкость печей для ВДП достигает 50 т.

5.5. Плазменно-дуговой переплав (ПДП) применяется для получения стали и сплавов особо высокой чистоты. Источником тепла в установке служит плазменная дуга с температурой 10 000... 15 000 °С (рис. 10). Исходным материалом для получения слитков служит стружка или другие дробленные отходы металлообрабатывающей промышленности. Металл плавится и затвердевает в водоохлаждаемом кристаллизаторе, а образующийся слиток вытягивается вниз. Благодаря высокой температуре из металла интенсивно испаряются сера и фосфор, а также удаляются неметаллические включения.

5.6. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) осуществляется за счет тепла, образующегося в результате облучения переплавляемого металла потоком электронов. Переплав ведется в вакуумных установках при остаточном давлении 0,001 Па, а затвердевание слитка—в водоохлаждаемом кристаллизаторе (рис. 11). Глубокий вакуум и благоприятные условия затвердевания обеспечивают получение особо чистого металла. Поэтому ЭЛП применяют для получения сталей особо высокой чистоты, сплавов со специальными свойствами, а также чистых тугоплавких металлов (W, Mo, Nb и др.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Барташевич А.А. Материаловедение. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008.
Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. – М.: Дашков и Ко, 2008.
Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. – М.: Академия, 2007.
Материаловедение: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Арзамасова Б.Н. – М.: МГТУ им. Баумана, 2008.
Материаловедение: Учебник для СПО. / Адаскин А.М. и др. Под ред. Соломенцева Ю.М. – М.: Высш. шк., 2006.