Современное состояние и перспективы развития производства электростали в Украине

РЕФЕРАТ

Данная курсовая работа содержит 25 страницы машинописного текста, 4 таблицы, 3 рисунка.

Данная курсовая работа состоит из введения и 2 разделов, списка используемой литературы.

Ключевые слова и  сокращения: ПЕЧЬ ДСП , ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ, 30ХГС, ТЕХНОЛОГИЯ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

В первой части приведен анализ современного состояния производства стали в Украине и основные свойства стали марки 30 ХГС. 

Во второй части приведено  обоснование и приведена технология плавки и внепечной обработке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                  СОДЕРЖАНИЕ                                                     стр

ВВЕДЕНИЕ 1. Современное состояние  и перспективы развития производства  электростали в Украине 1.1 Свойства и назначение стали 1.2 Влияние водорода, азота, кислорода и серы на качество конструкционных сталей 1.3 Влияние легирующих элементов на свойства стали 2. Теоретические основы технологии  кислого процесса в дуговых печах 2.1 Шихтовые материалы для кислой плавки 2.2 Период плавления 2.3 Восстановительный период 2.4 Технологическая схема выплавки и внепечной обработке стали марки 30 ХГС Выводы Литература

5   7 10   13 15   16 17 17 19   21 23 25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Электрометаллургия стали  зародилась как отрасль науки и техники в конце XIX-го столетия и с тех пор постоянно совершенствуется и развивается в теоретическом, технологическом и конструктивном направлениях. Особенно бурное развитие электрометаллургия получила во второй половине XX-го века.

В сталеплавильном производстве в последние десятилетия наиболее ускоренно развивается электроплавка: введены в строй дуговые электропечи нового поколения с донным выпуском стали, с водоохлаждаемыми стенами и сводом, двухкорпусные печи, печи с шахтным подогревом лома, с увеличенной высотой кожуха; получило широкое распространение применение кислорода и аргона, альтернативных источников энергии в виде топливно-кислородных горелок; увеличена удельная электрическая мощность дугового разряда- дуга постоянного тока, плазменная дуга, дуга с полым электродом, дуга, горящая во вспененном шлаке. Широкое распространение получила технология высшего уровня электроплавки стали дуплекс процессом: дуговая сталеплавильная печь- агрегат комплексной обработки стали.

Разработаны и внедрены в производство наукоемкие специальные процессы рафинирования стали методами электрошлакового, вакуумдугового, плазменного переплава, вакууминдукционная и электроннолучевая плавка.

Внедрены новые технологии внепечной обработки стали, широкое  применение получили агрегаты внепечной обработки в вакууме и обычной атмосферой. Неотъемлемой частью технологии электроплавки стали становится установка «печь-ковш», совершенствуется его конструктивное и аппаратурное оформление.

Разрабатываются и внедряются технологии разливки высококачественных и специальных сталей на машине непрерывного литья заготовок, совершенствуется конструктивное оформление непрерывной разливки стали. Получают реальное воплощение в жизнь литейно-прокатные комплексы.

В связи с последними достижениями в науке развитие ОАО «ДМЗ им.Петровского» возможно при использовании внепечной обработки стали на установке «печь-ковш», что даст новый качественный уровень производимой продукции.

Также бурное развитие получают автоматические системы управления технологическими процессами с использованием ЭВМ.

Особый прогресс при  электроплавке стали, отмечен в области охраны окружающей среды, создания малоотходных технологий, использования техногенных отходов в собственном и смежном производствах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Современное  состояние и перспективы развития  производства электростали в  Украине

 

 

В течение последнего десятилетия горно-металлургический комплекс Украины обеспечивает производство около 27% валового внутреннего продукта и свыше 40% валютных поступлений.

Напомним, что современное  состояние рынка за 2010г. По данным мировой ассоциации производства стали (WSA) объемом выплавки стали 66 государств составил 1414 млн. т. Что на 15,9% больше чем в 2009г. Среди основных 10 топ производителей на 1-ом месте Китай (626,7 млн.т.) на 2-ом Япония(109,6 млн.т.) и на 3-м США (80,6 млн.т.), а Украина занимает 8-е место (43,6 млн.т.). Таким образом Украина входит в топ 10 стран с максимальным производством стали. По объемам  внешней торговли металлопродукции Украина занимает третье место в рейтинге первой десятки мировых производителей и экспортеров стальной продукции[1].

В Украине наибольших показателей производство металлопродукции достигло в 1988 году. Потом в период с 1990 года по 1994 год состоялось значительное уменьшение объемов производства и внутреннего потребления металлопродукции. Период 1994-1998 годов характеризовался низким, но стабильным уровнем производства, после чего с 1998 по 2007 годы объемы производства опять выросли к уровню 80-85% от показателей 90-х лет.

По итогам работы за 2007 рок индекс производства основных видов  металлопродукции ГМК Украины находится  на уровне 108,3% относительно 2006 года, который  полностью отвечает мировым показателям (при индексе роста промышленного  производства в целом по Украине 110,2%). Выросли также экономические показатели работы отрасли, в частности, рентабельность металлургических предприятий в 2007 году составила 18% в сравнении с 14% в 2006 году.

Следует отметить, что по состоянию  на 2010г. Общее мировое производительские мощности по производству стали состовляли 1,865 млрд.т., при том реальное производство стали составило 1414 млн.т.

          Ниже приведены объемы производства  в металлургии Украины за 2008-2010 года (рис 1.1).

 

Рисунок 1.1 - Объемы производства в металлургии Украины за 2008-2010 года

Использование сталелитейных  мощностей в Украине составляет 60%.

В данный период времени  в Украине структура производства стали делится таким образом  рисунок 1.2

 

Рисунок 1.2 - Структура по способам производства стали в Украине

 

Но при любом процессе как ККП и ЭСП получить сразу  нужную марку стали очень сложно. По этому используют внепечную обработку  стали и доводку до нужного  состава в соответствии с ГОСТом.

На ПАО «Евраз ДМЗ им. Петровскокого» применяют комплексную обработку стали, продувка инертным газом и присадкой порошковой SiCa проволокой . Это обеспечивает  хорошее удаление серы и неметаллических включений. Так как сталь выплавляют на слитки, этой технология не дорогая и быстро окупает себя.

Поэтому считаем что  какой бы не использовали процесс  выплавки ККП и ЭСП, в любом  случае будут использовать  разные методы внепечной обработки для  получения нужного состава стали.

Самым ожидаемым событием в ГМК в 2012 году состоялся пуск электросталеплавильного завода «Интерпайп Сталь» - фактически первого метзавода в Украине за период независимости, возведенного с нуля. Рассчитывается производить на нем 1,32 млн. т трубной и колесной заготовки в год. Себестоимость заготовки на «Интерпайп Стали» должна заметна быть ниже, так как потребность в газе всего 17 куб. м/т. Кроме того новый завод намного экологичней своего предшественника. Объем вредных выбросов «Интерпайп Стали» в атмосферу уменьшится в 2,5 раза[2].

Таким образом, ближайшей  задачей других металлургических предприятий Украины можно считать повышение технологического уровня в производстве стали, что обеспечит конкурентно способное качество металлопродукции и доведение производства до международной сертификации в соответствии с требованиями стандартов серии ISO 9001 и ISO 9002.

Вместе с тем, отмечая  позитивные изменения в работе отрасли, связанные главным образом с  существенным увеличением объемов  производства за счет роста спроса на металлопродукцию.

 

1.1 Свойства и назначение стали

 

Назначение стали 30ХГС - различные улучшаемые детали: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса  обшивки, лопатки компрессорных  машин, работающие при температурах до 200°С, рычаги, толкатели, ответственные  сварные конструкции, работающие при  знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах[3].

Выбор марки стали, обусловлен тем, что из легированных сталей, которые  выплавляются в условиях ПАО «Евраз ДМЗ им. Петровского».марка 30ХГС  является наиболее массовой и составляет более 50% от всей выплавляемой легированной стали.

Сталь 30ХГС имеет состав(ГОСТ 4543-71) [4]:

С=0,28-0,34%;

Si=0,90-1,20%;

Mn=0,80-1,10%;

Cr=0,80-1,10%;

P,S= не более 0,025%;

Сu,Ni= не более 0,025%.

Технологические свойства.

Температура ковки, °С: начала 1240, конца 800. сечения до 50мм охлаждаются на воздухе, 51-100мм- в ящиках.

Свариваемость – ограниченно  свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС, или термообработка. КТС без ограничений.

Обрабатываемость резанием - в горячекатаном состоянии при  НВ 207-217 и δ_В =710 МПа, К_{v б.ст}=0,75, К_{v тв.спл}=0,85.

Флокеночувствительность- чувствительна.

Склонность к отпускной  хрупкости- склонна.

 

Таблица 1.1 - Температура  критических точек, ºС

Ac1	Ac3(Acm)	Ar3(Arcm)	Ar1	Мn
760	830	705	670	352

 

Таблица 1.2 - Ударная вязкость, KCU, Дж/см²

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40	-60	-80
Закалка 880 С, масло. Отпуск 580-600 С. бв = 1000 МПа.	69	55	41	35	23

 

Таблица 1.3 - Предел выносливости

s-1, МПа	t-1, МПа	n	sB, МПа	Термообработка, состояние стали
490	1666	1Е+7	1670
372	882	1Е+7	880
470		1Е+6	1080
696				Закалка 870 С. Отпуск 200 С
637				Закалка 870 С. Отпуск 400 С

 

Таблица 1.4 - Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	215	211	203	196	184	173	164	143	125
Плотность, pn, кг/см3	7850	7830	7800	7760	7730	7700	7670
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	38	38	37	37	36	34	33	31	30
Уд. электросопротивление (p, НОм · м)	210
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного  расширения (a, 10-6 1/°С)	11.7	12.3	12.9	13.4	13.7	14.0	14.3	12.9
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	496	504	512	533	554	584	622	693

 

 

 

 

 

 

1.2 Влияние водорода, азота, кислорода и серы на качество конструкционных сталей

 

При переходе стали из жидкого состояния в твердое  резко уменьшается растворимость  водорода и возрастает его парциальное давление, что может служить причиной рослости, повышенной пористости и образования других дефектов в металле. Водород сообщает хрупкость стали и резко снижает ее пластические свойства, которые после его удаления восстанавливаются.

Процент брака стали различных  марок по макроструктуре зависит  от времени года и влажности воздуха.

В летнее время содержание водорода колеблется около 6-8 мл/100г, а в зимнее оно составляет 3-4 мл/100г; брак из-за неудовлетворительной макроструктуры резко возрастает, с ростом абсолютной влажности воздуха, влажности извести и других шихтовых материалов, поэтому все материалы, поступающие в плавку, должны иметь минимальное содержание влаги.

Так по некоторым данным для получения  очень плотной макроструктуры ( с баллами до единицы) необходимо, чтобы содержание влаги не превышало 0,5-1% и металл был хорошо раскислен.

Флокены - волосовидные трещины образуются при содержании водорода 2-3мл/100г  и низких температурах. Это недопустимый дефект конструкционных сталей, из-за которых возможны аварийные поломки деталей, узлов машин и стальных конструкций. Поэтому металл, пораженный флокенами бракуется. Они образуются преимущественно в заготовках крупного профиля, чаще всего в их центре.

С целью получения нефлокено - чувствительной стали водород из твердой стли удаляют путем диффузии во время изотермической выдержки при температурах наибольшей скорости распада аустенита (около 650ºС) или при замедленном охлаждении.

С целью устранения дорогостоящей  длительной изотермической выдержки применяют вакуумирование стали на специальных установках или вакуумирование стали в струе.

Содержание азота в конструкционной  стали колеблется в пределах  0,008-0,012%. В процессе плавки при интенсивном  кипении ванны концентрация его  может быть снижена до 0,003%. С увеличением длительности рафинирования и степени раскисленности шлака содержание азота в металле увеличивается.

В углеродистых и низколегированных  сталях азот является вредной примесью, так как резко снижает пластичность металла, повышает склонность к старению и порог хладноломкости, уменьшает ударную вязкость. Для снижения склонности стали к старению используют алюминий или другие элементы (V, Nb, Ti, Zr), образующие нитриды, которые способствуют измельчению зерна и повышению механических свойств металла.

Азот расширяет область  и является во многих сталях заменителем никеля. Степень влияния азота на свойства стали зависят от состава и структуры металла.

С повышением содержания азота и  алюминия и образованием AlN тесно связано возникновение таких пороков, как сколы, слоистый излом, пятнистая ликвация.

Наиболее действенными способами  борьбы с этим пороком являются снижение концентрации фосфора, серы, кислорода  и азота в стали, глобуляризация неметаллических включений за счет ввода силикокальция, защита струи и зеркала металла в изложнице от воздействия азота и кислорода воздуха при разливке, повышение температуры и длительности выдержки металла в ковше.

При низком содержании кремния и  высокой концентрации кислорода в процессе кристаллизации выделяется окись углерода, образуются газовые пузыри и пористость стали. Макроструктура металла получается плотной, если концентрация водорода в нем низкая (менее 3-5мл/100) и он хорошо раскислен, т.е. [%Si]= 0,20-0,35.

Кислород и сера в твердой стали находятся в виде неметаллических включений (окислов, сульфидов и оксисульфидов). Чем больше кислорода и серы, тем ниже качество стали, выше брак металла по трещинам, волосовинам, механическим характеристикам. Металл высокого качества получается. если [%О]= 0,002-0,003 и [%S]= 0,003-0,01, а неметаллические включения имеют глобулярную форму.

Тип и форма включений зависят  от состава стали и  метода ее раскисления.

Обычно сталь раскисляют алюминием, если содержание его не превышает 0,01-0,02%, а серы более 0,02%, процесс кристаллизации стали сопровождается выделением сульфидов  марганца и железа на границах зерен  и резким снижением пластичности и вязкости металла. Повышение содержания алюминия выше 0,03% влечет за собой снижение концентрации кислорода в стали и увеличение вязкости. Основная часть включений при этом находится в виде глинозема и сульфидов марганца.

С целью снижения содержания серы и кислорода в стали применяют обработку стали на установке «печь-ковш»[5].

 

1.3 Влияние легирующих элементов на свойства стали

 

Легированные стали - это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены  легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства[6].

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения  требуемых строения, структуры, физико-химических, механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, B) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента. Такие стали называют микролегированными.

Низколегированными сталями  считаются те, в которых, суммарное  количество легирующих элементов должно быть не более 2,5%(кроме углерода), в  легированных от 2,5 до 10%, в высоколегированных- более 10% при содержании в них  железа не менее 45%.

В зависимости от наличия  тех или иных легирующих элементов  стали называют марганцовистыми. Кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также  хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованидиевыми, никельмолибденовыми, хромокремнемарганцовистыми и т.п..

 

 

2. Теоретические основы технологии кислого процесса в дуговых печах

 

 

Технология плавки кислого  процесса - принципиальные особенности  кислого процесса предопределяют ряд  отличий технологии выплавки стали  в кислых дуговых печах по сравнению с плавкой в основных дуговых печах. В кислых печах сталь обычно выплавляют методом переплава, применяя или не применяя кипения. Технология без кипения находит ограниченное применение при переплаве хромистых, хромоникелевых, хромокремнистых и хромомолибденовых сталей, так как отсутствие кипения позволяет полнее использовать хром из отходов. В основном же плавка в кислой дуговой печи проводится с кипением ванны печи, поскольку оно, как и в основном процессе, способствует рафинированию металла от газов[7].

 

 

 

2.1 Шихтовые материалы для кислой плавки

 

Ввиду того, что в процессе плавки фосфор и сера не удаляются, а их содержание в стали за счет вводимых добавок даже несколько  увеличивается, шихтовые материалы  должны содержать фосфора и серы минимум на 0,01%  меньше, чем допускается в готовой стали. Меньшая активность закиси железа в кислых шлаках и более высокая вязкость шлаков затрудняют окисление углерода. Но так как кислые шлаки менее проницаемы и для газов (азота и водорода), то интенсивность окисления углерода в кислой дуговой печи не имеет такого большого значения, как в основной. Плавка стали в кислых дуговых печах даже при скорости выгорания углерода 0,3% С/ч позволяет получать сталь, содержащую 3-4 см³ на 100 тонн стали, что в 1,5-2 раза меньше, чем в стали, выплавленной в основных печах. Ввиду этого кислые плавки шихтуют на выгорание меньшего количества углерода. Шихтовые материалы должны внести такое его количество, чтобы в период кипения окислилось 0,1—0,2% С. В случае необходимости недостающее количество углерода в завалку вносят в виде кокса, электроднoгo боя или малофосфористого и малосернистого чугуна. Металлический лом не должен быть ржавым, так как окислы железа растворяя SiO₂, способствуют разрушению кислой футеровки. При использовании сильно окисленного лома вредное действие окислов железа можно нейтрализовать, добавив в шихту необходимое для их ошлакования количество кварцевого песка. В остальном требования к шихтовым материалам и порядку завалки их в кислую дуговую печь аналогичны требованиям, предъявляемым к исходным материалам при основной плавке.

 

2.2 Период плавления

 

Процесс плавления проводят так же, как и в основных дуговых  печах. Поскольку же шихта кислых печей, как правило, более легковесна и более склонна к образованию  мостов, необходимо сталкивать чаще, чем в основных печах. По этой же восстановление кремния происходит главным образом вследствие восстановления кремнезема футеровки печи и шлака углеродом. При этом возможны и другие реакции[8]:

 

- (SiO2) + 2 [С] = [Si] + 2СО(г),                                                           (2.1)

 

- (SiO2) + 2 [Fe] = [Si] + 2 (FeO),                                                         (2.2)

 

- (SiO2) + 2 [Mn] - [Si] + 2 (MnO).                                                       (2.3)

 

Взаимодействие углерода с кремнеземом вследствие образования  газообразного продукта реакции  представляет собой необратимый  процесс. Реакции (2.2), (2.3) могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Развитие прямой или обратной реакции определяется температурой ванны дуговой печи, химическим составом металла и шлака, консистенцией шлака.

Реакции (2.1)-(2.3) эндотермичны, и поэтому повышение температуры металла способствует восстановлению кремния. Реакция (2.1) протекает при достаточно высокой температуре и при недостатке в зоне реакции закиси железа. В хорошо прогретом металле по этой реакции углерод восстанавливает кремнезем футеровки, а образующийся кремний окисляется на границе раздела металл-шлак закисью железа или закисью марганца по реакциям (2.2) или (2.3).

Если же концентрация окислов железа и марганца в шлаке  не велика или вследствие большой  вязкости шлака затруднена их диффузия к границе раздела металл-шлак, в металле может происходить  накопление восстановленного кремния.

Таким образом, регулируя температуру ванны печи, содержание закиси железа в шлаке и его консистенцию в окислительный период кислой плавки можно регулировать не только интенсивность выгорания углерода и окисление или восстановление марганца, но также и ход реакций окисления и восстановления кремния.

Следует иметь в виду, что при интенсификации окислительных  процессов присадками железной руды или вдуванием газообразного  кислорода нежелательно получать сильножелезистые шлаки, так как они способны растворять кислую футеровку дуговой печи. Во избежание этого руду надо давать мелкими порциями и только после израсходования предыдущей порции, а продувку кислородом вести менее интенсивно, чем в основных печах. Для этой же цели в окислительный период целесообразно присаживать небольшие порции песка, поддерживая тем самым состояние насыщения шлака кремнеземом.

К концу окислительного периода, определяемому по содержанию углерода, шлак содержит 55-60% SiО₂, причем почти половина шлака бывает образована из материала футеровки.

 

2.3 Восстановительный период

 

Из-за отсутствия условий  для удаления серы и в связи  с ограниченными возможностями  легирования восстановительный  период в кислой дуговой печи либо вообще отсутствует, либо проводится по упрощенной технологии. При выплавке углеродистой стали назначение восстановительного периода сводится к раскислению металла. Если плавка выпускается КЗ печи целиком, то можно проводить так называемый кремневосстановительный процесс. Шлак окислительного периода при этом загущают присадками кварцевого песка и металл нагревают. В густом шлаке диффузия закиси железа к поверхности металла замедляется, вследствие чего кремний, восстанавливающийся по реакциям (2.1)-(2.3) из футеровки и шлака, накапливается в металле и восстанавливает находящиеся в нем окислы.

Скорость восстановления кремния при кремневосстановительном  процессе достигает 0,01% в минуту, и  поэтому надо уметь хорошо управлять  реакциями восстановления кремния. Чрезмерное их развитие может привести к получению излишне высокого содержания кремния. По этой же причине кремневосстановительный процесс мало пригоден в цехах мелкого литья, где плавку разбирают малыми порциями в несколько приемов, поскольку оставшийся в печи металл будет обогащаться кремнием. Прекратить увеличение содержания кремния можно присадками в шлак извести, разжижающей шлак и способствующей увеличению его окислительной способности.

В цехах мелкого литья  металл в печи целесообразнее раскислять присадками ферросилиция, а окончательное  раскисление марганцем и алюминием  осуществлять в ковше.

При выплавке легированных сталей ответственного назначения шлак окислительного периода удаляют  на 70-80% и присадками песка, шамотного  боя и извести заводят маложелезистый шлак. Под этим шлаком металл раскисляют ферросилицием или силикомарганцем и легируют.

Окончательное раскисление  алюминием проводят в кислой дуговой  печи за 2 - 3 мин до выпуска или  в ковше. Количество алюминия для  раскисления выбирают таким, чтобы  не только предотвратить развитие процесса окисления углерода при охлаждении и кристаллизации металла, но и ослабить вредное влияние повышенного в кислой стали содержания серы.

В некоторых случаях  требуется получение крупнозернистой  структуры отливок. Сталь для  таких отливок не следует раскислять алюминием, так как его избыток способствует измельчению структуры.