Рафинирование сталей и чугунов

ФГБОУ ВПО «Владимирский  государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Кафедра «Литейные процессы и конструкционные материалы»

 

 

 

Реферат

По дисциплине «Внепечная обработка расплавов»

Тема: Рафинирование сталей и чугунов.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. Лч-108

Корнев А.А.

 

Принял:

Шаршин В.Н.

 

 

Владимир, 2012

Содержание:

Введение………………………………………………….………………..……3

1. Рафинирование стали……………………………………….………….………5
2. Рафинирование чугуна…………………………………………………..……..8
3. Рафинирование на сегодняшний день……………………………….……..….9 
   Литература………………………………………………………………………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В металлических  расплавах всегда присутствуют примеси. Это прежде всего примеси металлов и элементов, находящиеся в растворенном состоянии. Значительную долю составляют примеси газов, также находящиеся в растворе. Наконец, определенное количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых инородных частиц. Подобными частицами могут быть оксиды основного и легирующих компонентов приготовляемого сплава, а также их   карбиды  и   нитриды.   К  подобным  примесям  относятся  также частицы шлаков,  флюсов,  огнеупорной футеровки.

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела. Однако в некоторых случаях подобные процессы приходится проводить и в литейном производстве.

В данном реферате разобрана  тема рафинирование чугунов и  сталей. С начало бы хотелось рассказать немного о самом рафинировании.

Рафинирование металлов, 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 рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования: 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 рафинирования.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре  в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование 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 рафинировании 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. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирование. 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 рафинирование 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. Рафинирование 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 рафинирование 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 рафинирование 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 рафинирование может служить аффинаж благородных металлов. рафинирование Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рафинирование стали.

Рафинирование стали - это  процесс удаления из жидкой стали  вредных и нежелательных примесей. Процесс рафинирования стали  может осуществляться как в печи, так и вне печи (внепечное рафинирование  стали), в ковше, а также в специальных  агрегатах (например - вакууматор). Рафинирование стали могут проводить добавлением окислителей и восстановителей, продувкой расплава стали инертными газами и др.

Процесс рафинирования стали  включает в себя целый комплекс операций, направленный на очищение стали от лишних примесей. В случае необходимости  применяют комбинированные методы обработки, включающие в себя сразу  несколько способов рафинирования  стали, например раскисление, модифицирование или удаление неметаллических включений, десульфурация, дегазация (удаление азота и водорода) и т.д.

Внепечное рафинирование  стали - рафинирование стали вне  сталеплавильного агрегата. Так как  затруднительно проведение рафинирования  стали в крупных и высокопроизводительных сталеплавильных агрегатах, то многие технологические операции рафинирования  стали проводят за пределами агрегата (печи). Внепечное рафинирование  стали технологически осуществляется гораздо легче. При непрерывной  разливке стали также удобнее  использовать методы внепечного рафинирования. Рафинирование стали в установках печь-ковш обеспечивает массовое производство металла особо высокого качества. В результате внепечного рафинирования  сталь имеет однородный состав, высокие  характеристики пластичности, вязкости и трещиностойкости. Одновременно рафинированием практически полностью подавляется флокеночувствительность стали .

С помощью внепечного рафинирования, помимо прочих, решается сложная задача введения в расплав летучих, легкоокисляемых, труднорастворимых и токсичных элементов.

 

Рафинирование чугуна.

Рафинирование чугуна - очистка чугуна от вредных (преимущественно S, Р) и нежелательные (например Si) компонентов. Осуществляется вне доменной печи. Внепечное рафинирование чугуна ведут разными способами: в струе металла с применением транспортир, газов и механических мешалок, и разлив, ковшах, на специальных стендовых установках. Возможно выборочное рафинирование с удалением одного компонента (де-сульфурация, дефосфорация, обескремнивание и др.) или комплексное рафинирование с одновременным или последовательным удалением нежелательных компонентов. Обессеривание или процессы внепечной десульфурации дифференции по виду применения десульфураторов, технологии подачи десуль-фуратора в обрабатываемый металл. В качестве реагентов-десульфураторов применяют: домен, шлак, кальцинированную соду (порошковую, гранулированную, брикетированную), известь, карбид кальция, магний металлический, а также некоторые комплексные реагенты на основе перечисленных веществ.

 Десульфурация чугуна идет по реакции: [FeS] + СаО = (FeO) + (CaS),

где [FeS] — содержание S в чугуне;

СаО - содержание (расход) реагента-десульфуратора;

(FeO), (CaS) — содержание FeO и CaS в шлаке.

 Процесс дефосфорации чугуна сводится к окислению фосфора и связывает Р2О5 в прочные соединения в шлаковой фазе. Чугун дефосфорирует комплекс, реагентами, содержащий известь, плавиковый шпат, хлориды кальция и железа, соду, оксиды железа.

 Процесс обескремнивания идет окислением кремния соответственно реагентами (кислородом, окалиной, железной рудой) по реакции: [Si] + FeO = (SiO2) + (FeO),

где [Si] — содержание кремния в чугуне;

FeO — расход реагента-окислителя; (SiO2),

(FeO) — содерж. компонентов в шлаке;

Рафинирование на сегодняшний день.

Весьма эффективно внепечное  вакуумирование жидкой стали, осуществляемое различными способами в процессе разливки и позволяющее повысить качество металла, увеличить производительность сталеплавильных агрегатов и снизить расход раскислителей и легирующих материалов. Способ внепечного вакуумирования (в ковше, при переливании из ковша в ковш, порционный и циркуляционный способы) определяется массой плавки и назначением стали.

Практика работы некоторых  заводов подтвердила, что при  вакуумировании жидкой стали в камерах с высокой степенью разрежения улучшаются качество поверхности проката конструкционных и магнитные свойства электротехнических сталей, повышается чистота шарикоподшипниковой стали по неметаллическим включениям и т.д.

Развитие процесса внепечного вакуумирования жидкой стали позволит усовершенствовать процессы термической обработки легированного металла, а при производстве кипящей стали — улучшить качество металла, полученного на установка непрерывной разливки стали.

Количество стали, вакуумированной внепечным способом, в девятой пятилетке намечено увеличить в несколько раз. В ближайшие годы предусмотрено значительно увеличить мощности для внепечного вакуумирования жидкой стали и в первую очередь обеспечить обработку электротехнической стали, стали для автомобильного листа и стали, предназначенной для других целей с использованием глубокой вытяжки, шарикоподшипниковой и конструкционных легированных фло-кеночувствительных сталей, а также рельсовой и колесной.

В ближайшие годы предусмотрено  установить ряд агрегатов для  внепечного вакуумирования стали порционным и циркуляционным методами в ковшах емкостью 100—130 т, а также для вакуумирования в ковше с электромагнитным перемешиванием металла.

Намечено ввести в действие установки для внепечного вакуумирования стали в конвертерных цехах Челябинского и Ново-Липецкого металлургических заводов, в мартеновских цехах Магнитогорского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, металлургических заводов «Запорожсталь», Коммунарского, Ждановского им. Ильича и др. В новом конвертерном цехе № 2 Ново-Липецкого металлургического завода будут осуществлять внепечное порционное вакуумирование плавок массой 350 г. Предусматривается электрический обогрев камеры вакуумирования.

Внепечное вакуумирование обеспечивает в углеродистой стали с 0,2% С не более 0,001% О2, не более 0,0008% N2 и не более 0,000095% Н2; в углеродистой стали с 0,35% С содержание кислорода на 17,5% ниже, общее количество включений на 29% меньше, уровень механических свойств на 10—15% выше, чем в невакуумированной стали. Вакуумированиая рельсовая сталь не склонна к образованию флокенов.

По данным Уралмашзавода, вакуумирование мартеновской стали при разливке ее в крупные слитки позволило снизить содержание водорода на 50—60% (с 3,93 до 1,76 см3 на 100 г металла), азота на 22—25% (с 0,0051 до 0,0039%). При вакуумировании металла степень его загрязнения неметаллическими включениями значительно уменьшается, изменяется состав этих включений и распределение по сечению слитка, что улучшает качество поковок. Время охлаждения поковок после их термической обработки было сокращено на 30% вследствие пониженной флокеночувствительности, связанной с пониженным содержанием водорода после вакуумирования.

Дополнительные эксплуатационные и капитальные затраты на внепечное вакуумирование стали для поковок составили на Уралмашзаводе соответственно 1,5 и 4,6 руб. на 1 т стали, а экономия от сокращения брака поковок и длительности термической обработки выразилась в 36 руб. на 1 т стали.

По результатам работы, выполненной на заводе «Электросталь», установлено, что применение внепечного вакуумирования легированной стали марок 18Х2Н4ВА и Х18Н10Т снижает содержание кислорода, водорода и азота на 44,5; 40 и 31% соответственно. Поражённость внутренними дефектами, выявляемыми при ультразвуковом контроле, сокращается вдвое; сопротивление ударным нагрузкам в готовых изделиях возрастает на 12,5%; усталостная прочность увеличивается на 10—12%.

Внепечное вакуумирование стали марок 20ХНЗЛ, 40ХН и 40Х в условиях машиностроительного завода позволило уменьшить число непрерывнолитых заготовок с внутренними трещинами, осевой рыхлостью и поверхностными дефектами соответственно в 2,2; 1,3 и 1,4 раза. Содержание газов уменьшилось в 2 раза, неметаллических включений в 1,5 раза.

Одним из решающих условий  улучшения качества, проката является снижение содержания серы в стали  до минимально возможного количества. Сера является элементом, характеризующимся  значительной ликвидацией при кристаллизации слитка. Степень этой ликвидации повышается при увеличении массы слитка в  связи с большей продолжительностью его кристаллизации.

Слитки с повышенным содержанием  серы при прокатке могут давать трещины  из-за наличия легкоплавкой эвтетики, располагающейся по границам зерен. Эта фаза при нагреве под прокатку находится в жидком состоянии, что приводит к красноломкости, т. е, к ослаблению связи между зернами металла. В легированных сталях у сульфидов более сложный состав, в них входят и сульфиды легирующих элементов. В углеродистой стали сульфиды находятся в виде FeS (31,1%) и MnS (63,2%). Сернистые включения могут способствовать образованию трещин в процессе обработки и службы деталей, изготовленных из стали с повышенным содержанием серы. Одной из причин более высоких механических свойств электростали по сравнению с мартеновской является меньшее содержание серы и кислорода.

Имеющиеся данные по исследованию микроструктуры петравленых шлифов свидетельствуют о том, что сульфиды (различных составов в зависимости от химического состава стали) располагаются по границам зерен. При повышении содержания серы понижается пластичность металла и в некоторой степени ухудшается качество поверхности проката.

Решающим условием уменьшения содержания серы в металле является обработка его жидкими синтетическими шлаками в сталеплавильных цехах, при которой во время выпуска  плавки значительно увеличивается  поверхность раздела металла  со шлаком, вследствие этого сера с  достаточно высокой скоростью переходит  из металлической фазы в шлаковую. В тех случаях, когда невозможно использовать этот процесс, десульфурацию следует осуществлять на всех переделах: при агломерации железных руд и концентратов, в доменном и сталеплавильном производствах, при электрорафинировочных переплавах.

В последнее время все  большее распространение получает внепечная десульфурация чугуна.

Обработка стали синтетическими шлаками позволяет значительно  снизить содержание серы в металле  и, следовательно, способствует улучшению  качества проката. Поэтому в ближайшие  годы намечено значительно увеличить производство стали, обработанной такими шлаками.

На заводах, где не применяется  обработка стали синтетическими шлаками, большое значение имеет  обессеривание чугуна. На ряде металлургических заводов, в том числе «Азовсталь» и Макеевском, широко применяют вне-доменное обессеривание чугуна обработкой магнием (гранулами, чушками). Сталь и прокат, полученные из такого чугуна, характеризуются меньшим содержанием серы.

Одним из эффективных средств  улучшения качества металла является обработка его синтетическими шлаками. При этом способе необходимое  количество шлака сливают в ковш, а затем на этот шлак с большой  высоты мощной струей выпускают из печи сталь, что обеспечивает быстрое  протекание реакции взаимодействия между металлом и шлаком. Применение такой обработки не только повышает качество стали, но и увеличивает производительность сталеплавильных печей примерно на 10%.

В результате проведенных  исследований установлены следующие  основные преимущества стали, рафинированной синтетическими шлаками, по сравнению  с нерафинированной:

1)   меньшее содержание  серы (в 2—3 раза) и кислорода  (на 30—50%);

2)   меньшее количество  неметаллических включений (в  2—4 раза) и степень пораженности волосовинами (в 5—10 раз в зависимости от марки стали);

3)   пониженная    анизотропия    механических  свойств;

4)   большая ударная  вязкость легированных конструкционных  сталей при комнатной (в 1,5—2,0 раза) и низких (~ в 1,5 раза) температурах;

5)   значительно меньшая  склонность к хрупкому разрушению  и больший запас пластичности  до момента разрушения. Способность  стали к деформации в наиболее  тяжелых условиях объемно-напряженного  состояния при температурах горячей  механической обработки повышается  на 30—40%;

6)   большее количество  энергии (на 30%), затрачиваемой для  разрушения стали;

7) значительно меньшая  склонность стали к кристаллизационным  трещинам в процессе сварки; это  позволяет увеличить скорость  сварки и расширить диапазон  применения высокопроизводительной  электрошлаковой сварки. Весьма  важным обстоятельством, особенно  для конструкций, применяемых  в условиях Севера, является то, что металл в значительно меньшей  степени подвержен хрупкому разрушению  в процессе сварочного цикла  и ударная вязкость околошовной зоны возрастает в 2—3 раза.

 

 

 

Улучшение свойств металла  при обработке его синтетическими шлаками характеризуется следующими данными:

1)  у стали марок  40ХНМА, ЗОХГСА и ЗОХГСНА уменьшается  анизотропия по ударной вязкости, снижается суммарное содержание  серы    и фосфора до 0,015%;

2)   у стали марки  12Х1МФ повышается пластичность (число  оборотов до разрушения) при 1150—1200° С;

3)  у стали марки  17ПС увеличивается ударная вязкость  на поперечных и продольных  образцах в 1,5 раза, повышается  хладостойкость, снижается содержание серы, фосфора, кислорода и водорода.

Установлено, что обработка  в ковше синтетическими шлаками  стали марки Х18Ы10Т, выплавленной в 100-т электропечах, повышает се пластичность при горячей прокатке трубной  заготовки и труб. Обработка в  ковше синтетическим  шлаком  стали  марки  Х5М,  полученной также в 100-7' электропечах, обеспечивает повышение механических свойств трубной заготовки. Брак труб из металла, обработанного синтетическим шлаком, снизился в 1,4 раза для стали марки Х5М и в 1,6 раза для стали марки Х18Н10Т по сравнению с металлом плавок, необработанных синтетическими шлаками.

В случае применения внепечного вакуумирования в сочетании с обработкой синтетическим шлаком и раскислением кремнием и алюминием стали марки ШХ15 было установлено, что содержание водорода снизилось до 1,7—2,7 см3 на 100 г металла, кислорода — до 0,001 — 0,002%, серы —до 0,002—0,007%.

В случае применения рафинирования  жидкими синтетическими шлаками  необходимо иметь в виду назначение стали и методы ее обработки у  потребителя. Так, поданным Московского  института стали и сплавов (МИСиС) имеют место случаи снижения на 10—20% производительности металлорежущих станков при обработке некоторых низколегированных сталей, применяемых в автомобилестроении,    из-за  их  повышенной    пластичности.

Рафинирование стали синтетическими шлаками в ковше применяют  на металлургических заводах Челябинском, Златоустовском, «Днепроспедсталь», Серовском, Ижевском и др. В девятой пятилетке предусмотрено увеличить количество такой стали в 3 раза.

Весьма эффективным средством  борьбы с окислением во время разливки является защита струи, вытекающей из ковша, и поверхности металла, поднимающегося в изложнице, инертными газами, например аргоном. В результате разливки стали  в атмосфере аргона снижается  содержание кислорода (в 1,5—1,8 раза) и  неметаллических включений. Сталь  становится более плотной. Улучшаются ее пластические свойства и качество поверхности слитков; значительно  повышается предел усталостной прочности.

Продувка мартеновской стали  аргоном через днище ковша  с одновременной обработкой синтетическим  шлаком освоена на Златоустовском металлургическом заводе по технологии, разработанной  совместно с Челябинским научно-исследовательским  институтом металлургии. В результате интенсивного перемешивания стали  инертным газом увеличивается поверхность  соприкосновения металла со шлаком, что приводит к более эффективному использованию рафинирующих свойств  синтетического шлака. По сравнению  с обычной технологией рафинирования  комплексная обработка мартеновской стали инертным газом и синтетическим  шлаком в ковше позволяет снизить  содержание водорода на 14%, серы на 10%,кислорода  на 31% и азота на 16%, а также улучшить пластичность и ударную вязкость на продольных и поперечных образцах.

Обработка жидкого металла  в ковше твердой шлакообразующей  смесью с одновременной продувкой  аргоном, как показали результаты исследований Уральского научно-исследовательского института черных металлов и опыт работы Белорецкого металлургического комбината, снижает содержание серы в канатной и инструментальной сталях на 20—50%, фосфора на 10—37%, кислорода на 27%, водорода на 11%, азота на 9—16%; количество неметаллических включений уменьшается на 10%; пластичность металла значительно повышается, что особенно важно при волочении проволоки малых диаметров, например для металлокорда.

Для дальнейшего повышения  качества стали некоторых марок  предполагается применять совмещенные  процессы внепечного рафинирования: обработку  вакуумом и жидким синтетическим  шлаком в ковше; рафинирование синтетическим  шлаком и продувку инертными газами в ковше; раскисление и легирование жидкими лигатурами с одновременным рафинированием жидким синтетическим шлаком в ковше.

Чтобы обеспечить запланированный  рост производства стали, подвергаемой обработке синтетическими шлаками, и расширить сортамент проката, изготовляемого из такой стали, предусмотрено  создание мощностей для производства полупродукта и выплавки из него шлака. Шлакоплавильные печи намечено ввести в действие в ближайшие годы на металлургических заводах «Красный Октябрь», Ново-Липецком, Западно-Сибирском, им. Петровского и Коммунарском, а также на Орско-Халиловском металлургическом комбинате. Значительные мощности по выплавке полупродукта предусматривается ввести на Ермаковском заводе ферросплавов.

При расчете необходимых  количеств шлака и полупродукта исходят из расхода 40 кг шлака на 1 т стали (4%) и 45% полупродукта па 1 т  шлака.

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1

Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 1982. 480 с.

Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1999. - 600 с. - УДК 669.017

Кудрин В.А. Металлургия  стали. - М.: Металлургия, 1981 г. - 488 с.