Производство стали. 4

Введение

    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 конструкционного материала.

    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. 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.

Сталями называют сплавы железа  с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный  материал для машиностроения, транспорта и т. д. 

    Сталеплавильное производство – это получение  стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах  металлургических заводов. Сталеплавильное  производство является вторым звеном в общем производственном цикле  черной металлургии. В современной  металлургии основными способами  выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими  видами сталеплавильного производства меняется.  
 
 

  Заключение 
 

  В последние десятилетия производство стали революционизировалось в  результате разработки кислородно-конвертерного  процесса (известного также под названием  процесса Линца-Донавица). Этот процесс  начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных  заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.

  Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом  для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

  Процесс занимает главенствующую роль среди  существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного  способа заключается в возможности  переработки чугуна практически  любого состава, использованием металлолома  от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой  гибкостью и качеством продукции.

  В настоящее время всю сталь  в Великобритании и большую часть  стали во всем мире получают с помощью  этого процесса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Список  литературы: 

• Основы  металлургического производства (черная металлургия) 
  Москва «Металлургия» 1988
• Энциклопедия «Радость познания», Том 1 «Наука и вселенная» 
  Москва «МИР» 1983
• «Технология металлов и других конструкционных материалов» 
  В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов. Издание второе.

2.ДИНИМИКА  ТРУДОЗАТРАТ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ   РАЗВИТИЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

Тж(t)= 1250/(11+1650)

Tп(t)= 0.004+0.6

1) 
 

2) Ограниченное развитие т.к. Тж - уменьшается, Тп – увеличивается, Тс – и уменьшается, и увеличивается.

Трудосберегающий характер развития технологического процесса  т.к. Тж экономиться в большей степени по отношению к Тп

3) Т.к. развитие ограниченное – можно найти тип отдачи.

Тп = 0,004 + 0,6

0,004= 0,6 – Тп

 = 0.6 – Тп/0,004

Тж = 1250/13,2-11Тп

Тж= = = = =

Тж’= ()’ =

|Тж|’ =   -- убывающий тип отдачи

4) Тс =Тж +Тп

Тс’ = Тж’ + Тп’

Тс’ = ()’ + (0.004t^2+0.6)’ = + 0.008t

- + 0.008t = 0

- 1250(11t) + 0.008t( 11+1650 = 0

0.008t(11+ 1650= 27500t

121+36300 + 2722500=3437500

121 + 36300 - 715000 = 0

1.21+ 363- 7150 = 0

D =166375

t= 1.34

t*=1.34

На практике имеет широкое применение данный вариант трудозатрат. Он свидетельствует , что труд человека заменяется на действие машин.

Однако хорошо видно, что замещение живого труда  прошлым со временем становится нецелесообразным. Если до момента времени t* оно ведет к снижению совокупных трудозатрат, то после – к возрастанию. Поэтому при использовании данного варианта очень важно предвидеть момент наступления экономического предела выгодности замещения живого трудя прошлым.

  1.3 Характеристика технологии  производства продукции 

  Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива  путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в  металл сверху. Количество воздуха  необходимого для переработки 1 т  чугуна, составляет 350 кубометров.

  Существует  несколько видов кислородно-конвертерных процессов:

  - кислородно-конвертерный процесс  с верхней продувкой;

  - кислородно-конвертерный процесс  с донной продувкой;

  - кислородно-конвертерный процесс  с комбинированной продувкой.

  Кислородно-конвертерный процесс с верхней  продувкой.

  Конвертер имеет грушевидную форму с  концентрической горловиной. Это  обеспечивает лучшие условия для  ввода в полость конвертера кислородной  фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих  материалов. Кожух конвертера выполняют  сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части  конвертера крепят цапфы, соединяющиеся  с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы  передач, связывающих цапфы с  приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360^о со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для большегрузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу

Рисунок 1. Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма поворота

  В шлемной части конвертера имеется  летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает  возможность попадания шлака  в металл. Летка закрывается огнеупорной  глиной, замешанной на воде.    

  Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов: загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.

  Загрузка  конвертера начинается с завалки  стального лома. Лом загружают  в наклоненный конвертер через  горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с  помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают  в вертикальное положение, вводят фурму  и включают подачу кислорода с  чистотой не менее 99,5 % О₂. Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после начала продувки.

  На  процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение  фурмы (расстояние от конца фурмы  до поверхности ванны) и давление подаваемого кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 - 3,0 м, давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим  продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание  со шлаком. Последнее, в свою очередь, способствует повышению скорости окисления  содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.

  Важным  в технологии кислородно-конвертерного  процесса является шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного  и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в  быстром формировании шлака с  необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность  выполнения этой задачи связана с  высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 - 24 минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500^о. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержания SiO₂ руде, боксите, извести и др. Общий расход извести составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.

  Окисление всех примесей чугуна начинается с  самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется  высоким сродством этих элементов  к кислороду при сравнительно низких температурах (1450 - 1500^о С и менее).

  Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, т. к. влияет на температурный режим  плавки, процесс шлакообразования и  рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических  включений.

  Характерной особенностью кислородно-конвертерного  производства является неравномерность  окисления углерода как по объему ванны, так и в течение продувки.

  С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс  дефосфорации  - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком  содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить    < 0,02 % Р в готовой стали.   

  Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в  том, что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака (> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.

  По  достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания  металла и шлака) выливают в ковш.

    Полученный металл содержит повышенное  содержание кислорода, поэтому  заключительной операцией плавки  является раскисление металла,  которое проводят в сталеразливном  ковше. Для этой цели одновременно  со сливом стали по специальному  поворотному желобу в ковш  попадают раскислители и легирующие  добавки.

  Шлак  из конвертера сливают через горловину  в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером.

  Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным  режимом и регулируется изменением количества дутья и введением  в конвертер охладителей - металлолома, железной руды, известняка. Температура  металла при выпуске из конвертера около 1600^о С.

  Во  время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество отходящих  газов. Для использования тепла  отходящих газов и отчистки их от пыли за каждым конвертером оборудованы  котел-утилизатор и установка для  очистки газов.

  Управление  конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и количество чугуна, лома, извести), а также о показателях процесса (количество и состав кислорода, отходящих  газов, температура и т. п.). 
 

  Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой.

  В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем углеводородов, была показана возможность через днище без  разрушения огнеупоров. В настоящее  время в мире работают несколько  десятков конвертеров с донной продувкой  садкой до 250 т. Каждая десятая тонна  конвертерной стали, выплавленной в  мире, приходится на этот процесс.

  Основное  отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним  дутьем заключается в том, что  они имеют меньший удельный объем, т. е. объем приходящийся на тонну  продуваемого чугуна. В днище устанавливают  от 7 до 21 фурм в зависимости от емкости  конвертера. Размещение фурм в днище  может быть различным. Обычно их располагают  в одной половине днища так, чтобы  при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед  установкой конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается  дутье.

  В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны, увеличивается  поверхность металл-зарождения и  выделения пузырьков СО. Таким  образом, скорость обезуглероживания  при донной продувке выше по сравнению  с верхней. Получение металла  с содержанием углерода менее 0,05 % не представляет затруднений.

  Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней. Это также связанно с меньшей  окисленностью шлака и увеличением  поверхности контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части серы в газовую  фазу в виде SO₂.

  Преимущества  процесса с донной продувкой состоят  в повышении выхода годного металла  на 1 - 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома, меньшей  высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес, прежде всего, для  возможной замены мартеновских печей  без коренной реконструкции зданий мартеновских цехов. 
 
 

  Конвертерный  процесс с комбинированной  продувкой.   

  Тщательный  анализ преимуществ и недостатков  способов выплавки стали в конвертерах  с верхней и нижней продувкой  привел к созданию процесса, в котором  металл продувается сверху кислородом и снизу - кислородом в защитной рубашке  или аргоном (азотом). Использование  конвертера с комбинированной продувкой  по сравнению с продувкой только сверху позволяет повысить выход  металла, увеличить долю лома, снизить  расход ферросплавов, уменьшить расход кислорода, повысить качество стали  за счет снижения содержания газов  при продувке инертным газом в  конце операции.  
 
 

Блок- схема                                           

              1.2 Характеристика используемого сырья 

  Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной  плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в  виде шлака.

  Чугун — это железоуглеродистый сплав, с содержаием более 2 % углерода и  затвердевающий с образованием эвтектики (от греческого eutektos - легко плавящийся, жидкая, расплав, находящийся в равновесии с двумя и более твердыми фазами). Чугун обладает низкой пластичностью, но благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной  дешевизне, чугун нашел широкое  применение в производстве деталей  насосного оборудования. Углерод  в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование  стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его  из жидкого (твердого) раствора или  вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при  замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться  разложению РезС —> Fe + ЗС с образованием феррита и графита). Процесс образования  в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

  Графит  повышает износостойкость и антифрикционные  свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения  прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и  хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

  Присутствие эвтектики в структуре чугунов  обусловливает его использование  исключительно в качестве литейного  сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в  промышленности.  

  Механические  свойства чугуна обусловлены, главным  образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений  на механические свойства чугуна можно  оценить количественно (ГОСТ 3443—87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень  их изолированности, тем выше прочность  чугуна при одной и той же металлической  основе. Наиболее высокую прочность  обеспечивает шаровидная форма графитной  составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом можно рассматривать как сталь, в который графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.

  Чугуны  содержат постоянные примеси (Fi, Mn, S, P), а в некоторых случаях легирующие элементы (Cr, Ni,V,Al).

  Как правило чугун хрупок. Состав сплава влияет на структуру материала.

  В зависимости от структуры чугуны классифицируются на высокопрочные с шеровидным графитом и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяются на простые, низколегированные (до 2,5% легирующего элемента), среднелегированные (до 2,5 – 10% легирующего элемента), высоколегированные ( более 10% легирующих элементов).

  Шире  всего используются простые и  низколегированные серые литейные чугуны.

  Чугун получил широкое распространение, как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности, в связи с рядом преимуществ перед другими материалами, среди которых в 1-ю очередь надлежит упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошее литейное свойство.

  Изделия изготовленные из него имеют достаточно высокую прочность и износостойкость. Чугуны характеризуются меньшей, чем стали чувствительностью и концентратом напряжения.  
 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ И ЕГО  ХАРАКТЕРИСТИКА
1. Характеристика получаемой продукции

  Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт  сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

  Стали сочетают высокую жесткость с  достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за  счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

  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 (до 200 0С) деформирования. По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. 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. 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 цементит вторичный.

  Характеристики  стали:

  Плотность стали — (7,7-7,9)*10³ кг/м³;

  Удельный  вес стали — (7,7-7,9) г/cм³;

  Удельная  теплоемкость стали при 20°oC — 0,11 ккал/град (462 Дж/град);

  Температура плавления стали — 1300-1400oC ;

  Стали с высокими упругими свойствами находят  широкое применение в машино- и  приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении —  для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

  Нержавеющая сталь особенно широко используется в последнее время в пищевой, молочной, пивоваренной промышленности и в смежных областях производства. Высокие требования к готовому пищевому продукту, отражающиеся на конкурентных свойствах товаров, заставляют производителей вкладывать значительные средства в обновление технической стороны своего пищевого производства. Ведь от того, насколько качественными будут отводы, фланцы или резьбовые соединения из нержавеющей стали, насколько эффективными окажутся молочные фильтры и моющие головки, настолько качественным и соответствующим мировым стандартам будет готовый продукт.  

3.УРОВЕНЬ  ТЕХНОЛОГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА  СТАЛИ

L =

L – производительность живого труда

У- уровень технологии

В  – технологическая  вооруженность 

L=

     L  = = =

      При t = 3, L 1.4