Milling-master.ru

В помощь хозяину
16 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Технологические особенности металлургии чугуна и стали

Металлургия чугуна.

Чугун (Ч) получается восстановлением из руд железа, с последующим насыщением его углеродом и др. примесями. Печь – высокая, шахтного типа – доменная (V=1300м³ h=30м) – целый завод. Вспомогательные предприятия готовят исходные материалы для плавки:

· руда должна быть из кусков определенных размеров, крупные дробят, мелкие – размалывают и брикетируют, спекая в агломерат;

· топливо доменное должно быть надлежащих размеров и прочности кусков, содержать минимум вредных примесей, переходящих в чугун, и давать мало золы. Это кокс и древесный уголь.

· воздух (4 м³ на 1 кг чугуна) подогревается, дается под давлением 1,5 атм. при t=900ºС с кислородом;

· флюсы – разжижают шлаки для удаления пустой породы и золы.

Технология обеспечивает: физико-химические процессы восстановления железа, марганца и др. металлов, а также удаления серы, науглероживание и розлив металла. Прдукты доменного производства: газ, шлак используются после очистки и обработки.

Срок непрерывной работы домны 5-10 лет, для продления срока применяют охлаждение водой 20 м³ на 1 т чугуна. Для контроля выгорания огнеупоров замуровывают кусочки радиоактивного кобальта Со(60): как расплавится – γ-излучение пропадает.

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ, домна,— шахтная печь для выплавки чугуна из железорудных материалов (см. рис.). Печь установлена на бетонном фундаменте, на к-ром (в цилиндрич. кожухе) уложена кладка из огнеупорного кирпича, образующая лещадь печи. В нижней части печи — горне — имеются чугунные и шлаковые летки, а также фурменные приборы (см. Фурма.). Над горном расположёны заплечики, соединённые с распаром — самой широкой частью печи. Распар переходит в сужающуюся кверху шах­ту, которая заканчивается цилиндрич. колошником. Расстояние от уровня чуг. лёток до верха колош­ника наз. полезной высотой Д. п. Важ­нейшая характеристика Д. п.— её полезный объём. В СССР действует крупнейшая в мире Д. п. объё­мом 5580 м 3 (1986). Производительность этой пе­чи — более 12 000 т/сут. Осн. технико-экономич. показателем работы Д. п. служит коэффициент использования полезного объёма (к. и. п. о.) — полезный объём печи (в м 9 ), приходящийся на 1 т выплавл. в сутки чугуна. Чем лучше работает печь, тем ниже к. и. п. о.

Металлургия стали.

Древние способы не рассматриваем (сыродутые горны, пламенные сварочные печи, тигельная плавка). 1856 г. – переработка чугуна в сталь методом продувки воздухом в конвертере. 1868 г. – появилась пламенная регенеративная сталеплавильная мартеновская печь (используется до сих пор). 1900 г. – электрическая плавка жидкой стали.

Технология конвертерная (поворотная печь):

· наклон и загрузка СаО;

· наполнение жидким чугуном в горизонтальном положении к;

· поворот к в вертикальное положение;

· в конце плавки – в горизонт., выключение дутья, раскисление стали и разлив ее в ковш.

Бессемеровский конвертер – с кислой футеровкой (чугун Б-1).

Томассовский конвертер – с основной футеровкой (чугун Т-1 – до 2% фосфора).

Производство стали на поду мартеновской печи:

· плавка в неподвижной печи за счет сгорания топлива

· исходный материал – металлолом + чугун

· процессы плавки зависят от типа исходного сырья и близости домны

1. скрап-процесс – твердое сырье (чугун и мет. лом.)

2. чугунно-рудный процесс – жидкий чугун + руда

3. скрап-рудный процесс – жидкий чугун + стальной лом + руда

2 и 3 – на металлургических комбинатах.

· нагрев горячим воздухом, газами до 1100-1300ºС с поддувом кислорода.

МАРТЕНОВСКАЯ ПЕЧЬ [по имени франц. метал­лурга П. Мартена (Р. Martin; 1824—1915)] — пла­менная регенеративная печь для произ-ва стали из чугуна и стального лона. Первая М. п. была построена в 1864 во Франции. В конструкции М. п. (см. рис.) выделяют 2 осн. части: верхнее строение печи, состоящее из рабочего пространства и голо­вок, располож. на двух его концах и служащих попе­ременно для подачи газообразного или жидкого топ­лива и воздуха, предварительно подогретых (до 1100—1200 °С) в регенераторах, и для отвода про­дуктов горения; нижнее строение печи, состоящее из двух пар шлаковиков для собирания пыли и шла­ков, уносимых дымовыми газами, и двух пар (газо­вых и возд.) регенераторов, аккумулирующих тепло­ту продуктов горения с последующей ее отдачей газу и воздуху. Топливо для М. п.— газообразное (коксодоменный и природный газ), жидкое (мазут, кам.-уг. смола) и пылевидное (угольная пыль).

Для интенсификации сжигания топлива воздух обо­гащают кислородом. В зависимости от огнеупорных материалов, из к-рых выполнены под, стены и свод рабочего пространства, печи делят на кислые (кладка пода из динаса с наваркой из кварца и песка) и основные (с кладкой и наваркой пода из магнезита, доломита и стенами из магнезитового или хромомагнезитового кирпича). Большинство М. п. стационарные, реже строят качающиеся, у к-рых рабочее пространство при помощи с ч. механизма наклоняется в сторону рабочей площадки (для спуска шлака) и разливочного пролёта (для выпуска металла). М. п. могут работать как на твёр­дой, так и на жидкой завалке (см. Мартеновский процесс). Намин. вместимость М. п.— до 900 т.

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС — сталеплавиль и процесс, протекающий в мартеновской печи, В за­висимости от футеровки печи различают основной и кислый М. п. Наибольшее распространение полу­чил основной процесс, позволяющий перерабатывать практически любые шихтовые материалы, в т. ч. с высоким содержанием фосфора и серы. преимущество

кислого процесса перед основным — возмож­ность получения стали с более низким содержанием газов и неметаллич. включений и с более высокими механич. св-вами. Мартеновский цех в разрезе по­казан на рис. Металлич. часть шихты состоит из чугуна (в твёрдом или жидком виде) и стального лома, причём доля каждого из них может изменять­ся от 0 до 100% в зависимости от условий данно­го р-на и сорта выплавляемой стали. М. п, заклю­чается в расплавлении шихты, снижении в ней со­держания углерода, кремния, марганца, удалении нежелат. примесей (серы, фосфора) и введения недостающих элементов (легировании). Темп-ра в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она составляет 1600—1650 °С. Недостающий для окисления приме­сей чугуна кислород вносят в печь присадкой из руды или окалины, либо продувкой металла тех-нич. кислородом. Для связывания в шлаки выделяю­щихся из ванны оксидов в печь добавляют флюсы (в основном процессе — известняк или известь). Избыток введённого в сталь кислорода удаляют в конце плавки раскислением в печи и при выпуске в сталеразливочный ковш. В целях интенсификации М. п. применяют кислород, вводимый как для обо­гащения воздуха, так и для окисления примесей.

Устройство Мартеновской печи:

Устройство типового цеха с мартеновскими печами представляет собой многоэтажное здание. Печи располагают таким образом, чтобы с их уровня (обычно 2-ой этаж) можно было выпускать металл в разливочные ковши. Регенераторы располагают под рабочей площадкой в полуподвальном помещении, трубопроводы – под землей, а вытяжные дымовые трубы выходят на поверхность вне здания и на высоту выше крыши цеха.

Загрузку печей производят крановыми и напольными машинами, которые выполняют ряд технологических операций – перемешивание металла, снятие шлака, выравнивание шихты и др. материалы подаются в металлических ящиках–мульдах вагонетками. Готовую сталь выпускают через летку по желобу в разливочные ковши, а из ковшей при помощи крана – в изложницы, установленные на вагонных тележках.

Процессы твердой завалки, жидкой завалки и скрап-рудный процесс плавки изучают специалисты, а пользователям металла важно иметь уверенность в качестве получаемой стали и понимать, как проводятся механические испытания и определяется макро- и микроструктура стали. Кроме проб металла берутся пробы шлака с целью определения жидкотекучести, цвета и химическо-го состава.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЕ литьё — способ литья, при к-ром жидкий металл, полученный методом электрошлакового переплава, транспортируется (не соприкасаясь с воздухом) в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, являющийся литейной формой. Потребность в таком кристаллизаторе выз­вана высокой темп-рой жидкого металла. Преиму­щества Э. л. перед др. способами литья — высокая чистота металла при сравнительно небольшой стои­мости отливки. Отливки получ. Э.л., приближа­ются по св-вам к поковкам. Применяется ограничен­но для изготовления сравнительно несложных отли­вок (напр., коленчатых валов, роторов турбогенерато­ров).

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЙ ПЕРЕПЛАВ — рафини­рующий переплав, при к-ром металл (расходуемый электрод, спец, заготовка или сыпучая шихта) пере­плавляется в ванне электропроводного синтетнч. шлака под действием теплоты, выделяющейся в шла­ке при прохождении через него электрич. тока (см. рис.). Металл проходит по каплям через шлак и зас­тывает под ним в виде слитка (до 200 т) в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Обработка шлаком очищает металл от вредных примесей (серы, кислоро­да), а постепенное затвердевание в кристаллизаторе обеспечивает улучшение структуры слитка (по срав­нению со слитком, отлитым в обычную изложницу), Электрошлаковые печи по конструкции проще ва­куумных дуговых, не только не уступая им, но и в нек-ром отношении даже превосходя их по ка­честву металла. Э. п. разработан в СССР в нач. 50-х гг.

Схема электрошлакового переплава с одним (а) и двумя (б) расходуемыми электродами: 1 — электроды; 2 — шлаковые ванны; 3 — металлические ванны; 4 — слиток.

Производство стали в электропечах.

· минимальное количество вредной примеси – закиси железа;

· малые потери легирующих элементов из-за угара;

· более высокая tº позволяет получать тугоплавкие стали;

легкость удаления вредных примесей при плавке;

Электропечи бывают двух типов – дуговые и индукционные высокой частоты.

Дуговые печи – на принципе использования тепла от горения электрической дуги на трехфазном токе с графитовыми или угольными электродами. Палвибьное пространство ограничено снизу подом, а сверху – сводом. Ток направляют по электродам, между которыми горит дуга и греет металл:

это схема электро-дуговой печи (поворотный узел и прочие подробности не показаны)

Высокочастотная бессердечниковая индукционная печь состоит из тигля огнеупорного, обмотки из медной трубки с током, и системы охлаждающих медных трубок с водой:

генератор не показан.

В металле, находящемся в тигле, возбуждаются вихревые токи большой силы, которые быстро разогревают металл.

Исходные материалы (флюсы, раскислители и пр.), управление движением печей, тигля, электродов и тд., подробности процесса плавки в электропечах существенно отличаются от других способов традиционной металлургии.

Металлургия меди.

Это наиболее старая отрасль промышленности. Существует два способа М.: пирометаллургический и гидрометаллургический. Сырье – сульфидные руды, окисленные руды и самородная медь. Медистые руды CuFeS2 содержат халькопирит сульфид меди и железа (1÷3% Cu) и обогащаются. Окисленные с (содержанием 5% Сu) подвергают непосредственной плавке. Бедные окисленные руды выщелачивают гидрометаллургическим способом. В медных рудах содержатся полиметаллы (цинк, свинец, никель), поэтому нужен метод разделения их, например флотационный способ, основанный на разной смачиваемости материалов и пустой породы. Пенообразование выносит пустую породу вверх (воздух + масло). Богатые медные концентраты (до 30%Сu) подвергаются обжигу (при tº=600ºС) в много-подовых вертикальных печах (l=28м, d=9м) с образованием расплавов сульфида меди и железа (огарков) – медных штейнов. Медные штейны подвергаются обработке – плавке и удалению серы.

Читать еще:  Станки с чпу для металлообработки описание

Медный щтейн и сера – ценные продукты, выделяемые из Cu2S при tº=900ºС. из медного штейна жидкого получают черновую медь, в основном на горизонтальных конверторах Ø4 м, l=10 м и емкостью до 7,5 т. процесс аналогичен производству черных металлов.

Черновую медь рафинируют огневым или электролитическим методами. Электролизный метод на постоянном токе позволяет сохранить благородные металлы. Размеры электролизных ванн 1*1,2*3 м³ деревянных или бетонных, выложенных свинцом (3÷4 мм толщиной), и установленных на изоляторах. Электролит – медный купорос CuSO4 в воде + 16% H2SO4. Аноды – из черновой меди примесной, катоды – тонкие листы электролитической меди.

За 20-30 дней аноды растворяются, а катоды вынимаются через 10 дней (вес каждого 60-90 кг). Их промывают, проверяют на содержание меди и складируют. Осадок в ваннах – шлам – содержит благородные металлы: 18% Cu; 35% Ag; 0.64% Au; 0.7% Pb; 3.5% Sb; 3% As; 0.7% Se; 0.9% Fe. Изготовление сплавов меди – в плавильных печах. Чистая медь – 5 марок от 99,00 до 99,95%. Латунь (Cu+Zn), бронза (Cu + др.металлы).

Технология производства чугуна и стали

Общие сведения о металлах и их классификация

Выполнить лабораторную работу

Ответить на следующие вопросы.

Металлы

Стеклокристаллические материалы

Ситаллы. Стеклокристаллический материал, полученный из стекла в результате полной или частичной кристаллизации. Для получения ситаллов необходима дополнительная термическая обработка, которой происходит кристаллизация. Для реакции необходимы катализаторы (соединения фторидов или фосфатов).

Цвет: черный, кремовый, серый, реже прозрачные.

У них высокие физико- механические свойства:

низкое тепловое расширение,

высокая термическая стойкость,

высокая долговечность, стойкость к агрессивным средам,

Используют для изготовления плиток труб.

Шлакоситаллы. Получают из расплава металлургических шлаков с добавками, с последующей термооработкой, при которой происходит перекристаллизация. Свойства и применение, как и у ситаллов.

Каменное литье. Получают из расплавленных горных пород, методом литья. Сырье легкоплавкие горные породы ( базальт, диабаз).Технология и включает следующие операции:

1. Подготовка сырья.

3. Остывание до температуры формования.

7.Отжиг (для снятия внутренних напряжений).

Изделия обладают высокой прочностью, кислотостойкостью и атмосферостойкостью.

Цель изучения темы: Сформировать представление о металлах, их видах, свойствах, технологии производства и номенклатуре изделий

При изучении темы рассмотрим следующие разделы:

1. Общие сведения и классификация.

2. Технология производства чугуна и стали.

3. Чугун, его свойства, марки и применение.

4. Маркировка стали.

5. Свойства стали.

6. Изделия из стали.

7. Коррозия металлов и меры защиты от неё.

8. Цветные металлы.

После изучения темы необходимо:

Какова рациональная область применения строительных материалов из металлов?

Какие виды арматурной стали вы знаете ?

Чем арматура класса АII отличается от арматуры класса АI?

Какие стали чаще всего применяются в строительстве?

Чем отличаются свойства и применение чугуна от свойств и применения стали?

№5 « Испытание арматурной стали на растяжение».

Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы:

черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2-4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей. Передельные чугуны используют для произведства стали, а специальные чугуны – в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения. Наличие в чугуне марганца, кремния, фосфора, а также легирующих добавок – никеля, хрома, магния и др. – придает ему высокие механические свойства и обеспечивает высокие жаростойкость и коррозионную стойкость. Чугуны с добавками никеля, хрома, магния и других элементов называют легированными. Высокопрочные чугуны получают модифицированием жидкого чугуна присадками Si,Са и др.

Сталь – ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от способа получения стали разделяют на:

По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные.

К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на:

Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др).

Кроме того, по суммарному содержанию добавок стали разделяют на низколегированные (с содержанием легирующих добавок до 2,5 %), среднелегированные (с содержанием легирующих добавок от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (с содержанием легирующих добавок более 10 %).

По назначению стали могут быть:

конструкционные (применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин ),

специальные (характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью),

По качеству стали обычно подразделяют на:

Цветные металлы в чистом виде весьма редко используют в строительстве. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограж­дающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунью (сплав меди с цинком). Из этих сплавов изготовляют архитектурные детали и санитарно-техническую арматуру.

Производство черных металлов из железной руды – сложный технологический процесс, который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй – его перерабатывают в сталь. Чугун выплавляют в доменных печах. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.

Железные руды – горные породы, содержащие железо в виде химических соединений с кислородом и другими элементами. В состав железных руд входят и другие соединения (объединяемые общим названием «пустая порода») в виде кремнезема, глинозема, известняка и т. П. Обычно для производства чугуна используют:

магнитный железняк (Fе3О4) с содержанием железа до 70 %,

красный железняк (Fе2О3), содержащий до 65 % железа,

бурый железняк (2Fе2О3-2Н2О), содержащий до 60 % железа.

Топливом в доменном процессе служит кокс, получаемый при сухой перегонке (сжигании без доступа воздуха) коксующихся каменных углей.

Флюсы (плавни) – известняки, доломиты и песчаники – применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак.

Доменная печь представляет собой шахту, снаружи покрытую металлическим кожухом и изнутри футерованную огнеупорным кирпичом. В печь через верхнюю часть, называемую колошником, непрерывно загружают шихтой, чередуя слои руды, флюса и топлива. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи – горн – через фурмы подают под давлением нагретый воздух. Горение топлива – кокса – происходит в верхней части горна за счет кислорода воздуха по реакции С+О2=СО2. Образующийся при этом углекислый газ поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: СО2+С=2СО. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа, а сам переходит в углекислый газ. Восстановление железа происходит по схеме:Fе2О3->Fе3О4->FеО->Fе. и

Процесс этот может быть представлен следующими химическими уравнениями:

Восстановление железа из его оксидов происходит во время движения шихты под действием собственной массы от верхней части печи к нижней. В нижней части печи при 900-1100 °С часть восстановленного железа соединяется с углеродом, в результате чего получается карбид железа Fе3С. Этот процесс называют науглероживанием. При температуре около 1150 °С начинается плавление науглероженного железа, и образовавшийся жидкий чугун стекает в горн печи. Сюда же стекает расплавленный шлак, который как более легкий материал всплывает над чугуном. Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия – чугунную и шлаковую летки, причем сначала выпускают шлак, а затем – чугун. Чугун в расплавленном состоянии подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи, где его перерабатывают в сталь. Жидкий шлак из доменной печи используют для производства шлаковой пемзы, гранулированного шлака, каменного литья или сливают в отвал. Побочным продуктом доменного производства является колошниковый газ, который применяют для нужд металлургической промышленности.

Процесс производства стали состоит в уменьшении содержания имеющихся в предельном чугуне примесей углерода, кремния, марганца, серы, фосфора. Указанные примеси при выплавке стали выгорают, либо переходят в шлак. Исходными материалами для выплавки стали являются передельные чугуны, стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы.

Современными способами производства стали являются конвертерный, мартеновский и электроплавильный (в электропечах).

По конвертерному способу сталь получают в печах-конвертерах Конвертер – стальной футерованный сосуд грушевидной формы, поворачивающийся вокруг горизонтальной оси на двух цапфах. В нижней части конвертера имеются фурменные отверстия для подачи воздуха под давлением 0,2-0,25 МПа (изб.). Жидкий передельный чугун заливают из ковша в конвертер, после чего через фурменные отверстия пропускают воздух, обогащенный кислородом. Под воздействием воздуха в расплавленном чугуне образуется закись железа Fе2О3, которая реагирует с примесями (кремнием, марганцем, фосфором), образуя оксиды, которые переходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанавливается до чистого железа. Этот процесс продолжается всего 15-30 мин, что является большим преимуществом данного способа. Емкость современных конвертеров достигает 600 т. Этот способ отливки стали высокопроизводителен и наиболее экономичен.

Читать еще:  Технология изготовления изделий из порошков порошковая металлургия

Конвертерную сталь используют для изготовления строительных профилей, сортовой и листовой стали, проволоки и т. д.

Мартеновский способ получения стали в настоящее время наиболее распространен. Мартеновская печь представляет собой агрегат, рабочее пространство которого имеет форму вытянутой в горизонтальном направлении камеры. Нижнюю часть камеры, имеющей вид ванны, называют подом. Его делают набивным из огнеупорных материалов, а стенки и свод печи выкладывают из огнеупорного кирпича. В верхней части имеются каналы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенераторами. Емкость мартеновских печей – до 1000 т.

Твердый или расплавленный чугун с добавкой скрапа (вторичный металл, металлическое сырье в виде лома и отходов производства) или руды плавится в мартене за счет сжигания топлива – смеси колошникового газа или генераторного газа с воздухом. Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, применяют кислородное дутье. Примеси – кремний, марганец и фосфор – окисляются закисью железа Fе2О3, образовавшейся в расплаве, переходя в оксиды, и удаляются в виде шлака, а закись железа переходит в чистое железо. Серу из расплава удаляют при помощи известняка, вводимого в качестве флюса. Углерод при высоких температурах выгорает. Образующийся в процессе выплавки стали шлак скапливается на поверхности жидкого металла, и его периодически удаляют.

Во время выплавки стали, продолжающейся 4- 8 час., в ее состав вводят различные добавки – ферросплавы (например, феррохром, феррованадий), получая тем самым легированную сталь. Химический состав расплава контролируют путем систематического отбора проб для анализа. После получения стали, заданного химического состава, ее выпускают в ковш и разливают по изложницам – чугунным и стальным формам.

Мартеновская сталь отличается от конвертерной, более высоким качеством: ее широко применяют для изготовления строительных конструкций (ферм, подкрановых балок, мостов, рельсов и др.), а также для высокопрочной арматуры.

Электроплавка – наиболее совершенный способ производства специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 200 т.

В качестве сырьевой шихты для электроплавки стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Кроме того, в состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником тепла является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. По существу протекающих процессов, электроплавка не отличается от мартеновского способа производства стали. Однако существенным недостатком электроплавки, является низкая производительность и высокая себестоимость стали.

В последние годы начинают применять комбинированные способы производства стали с использованием последовательной выплавки стали в кислородных конвертерах, а затем в основных мартеновских печах, где происходит получение стали заданного химического состава. Для сокращения расхода электроэнергии при производстве стали, вначале используют для нагрева и расплавления мартеновскую печь, а затем для окончательной доводки стали до заданных свойств – электропечь.

Металлургическое производство

Металлургия – отрасль тяжелой промышленности, включающая способы получения металлов и металлических сплавов из руд, а также способы придания им определенных свойств и форм, необходимых в других отраслях промышленности.

Производство сплавов на основе железа – сталей и чугунов – и их дальнейшая переработка называется черной металлургией, а производство остальных металлов и сплавов на их основе относится к цветной металлургии.

1. Черная металлургия

Черная металлургия – это комплекс горно-металлургических производств, включающих добычу железных руд, их обогащение, агломерацию, получение окатышей для производства губчатого железа или передельного чугуна, которые являются основными видами сырья для выплавки стали. В зависимости от способа получения и назначения сталь подвергается различной степени рафинирования, затем разливке, а полученные слитки направляют на прокатку, ковку или для изготовления отливок.

1.1 Получение чугуна

Шихта (совокупность материалов, подлежащих переработке) для получения чугуна состоит из обогащенной железной руды, подвергнутой обжигу или спеканию, металлического лома (скрапа), топлива (кокса) и флюсов.

Железные руды содержат железо в виде оксидов Fe3O4 и Fe2O3, гидроокислов Fe2O3·Н2О, карбонатов FeСO3 и др., а также пустую породу, состоящую из SiO2, Al2O3, MgO и др. Содержание железа в руде, предназначенной к переделу в чугун, должно составлять не менее 55–60 %.

Топливо в доменной печи предназначено для получения высоких температур, необходимых для восстановления железа из руды, плавления шихтовых материалов с разделением на чугун и шлак. Топливом служит кокс, который получают из коксующихся каменных углей после удаления из них летучих веществ. Углерод топлива участвует в процессе восстановления железа из руды.

Флюсы – это материалы вводимые в плавильные печи для отделения металла от пустой породы и очищающие металл от нежелательных примесей. Флюсы связывают пустую породу и золу топлива, образуя доменный шлак, который в жидком состоянии удаляется из печи. Флюсы выбирают в зависимости от химического состава пустой породы руды. В отечественных железных рудах в пустой породе большое количество SiO2, поэтому в качестве флюса используют материалы с повышенной щелочностью, к которым относится известняк CaСO3. С его помощью можно также снизить содержание в металле серы, попавшей в него из кокса и железной руды.

Для повышения производительности процесса, снижения расхода кокса и повышения качества чугуна осуществляется подготовка руды к доменной плавке. Цель подготовки состоит в увеличении содержания железа в исходных материалах и уменьшении в них вредных примесей – серы и фосфора. В подготовку руды входит обогащение, агломерация или получение металлизированных окатышей.

В результате обогащения в исходном материале повышается содержание железа. При агломерации мелкий концентрат, полученный обогащением, спекают с коксовой мелочью, при этом снижается содержание серы и мышьяка, разлагаются карбонаты и получается кусковой, пористый агломерат с повышенным содержанием флюсов. Вместо агломерации может применяться окатывание, при котором измельченный концентрат, флюсы и кокс после увлажнения окатываются на специальных установках и приобретают форму шариков диаметром до 30 мм. Их высушивают и обжигают при температуре 1 200–1 350 ºС для повышения прочности и пористости. При использовании окатышей исключается необходимость подачи флюсов в доменную печь.

Доменная печь – вертикальная печь шахтного типа (рис. 1). Кладка печи водоохлаждаемая и находится в стальном кожухе толщиной 30–40 мм. Доменные печи могут достигать в высоту 80 м, а их полезный объем до 5 600 м 3 . Доменная печь – агрегат непрерывного действия, работающий в течение 4–8 лет.

В верхнюю часть печи, где находится загрузочное устройство 8, с помощью вагонеток загружают шихту. Корпус печи состоит из колошника, шахты, распара, заплечиков и горна (рис. 1). Доменная печь работает по принципу противотока. Сверху опускаются шихтовые материалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующиеся при горении топлива.

При опускании малого конуса загрузочного устройства шихта попадает в чашу, а при опускании большого конуса – в доменную печь. Сложная загрузочная система предотвращает выход газов из домны в атмосферу.

Рис. 1. Схема устройства доменной печи: 1 – чугунная летка; 2 – шлаковая летка; 3 – фурмы; 4 – лещадь; 5 – чугуновоз; 6 – шлаковоз; 7 – газоотводящие каналы; 8 –загрузочное устройство; 9 – фундамент; 10 – воздухопривод

При загрузке шихтовые материалы располагаются в шахте печи отдельными слоями.

Процесс выплавки чугуна начинается с горения топлива. Для этого снизу в верхней части горна через фурмы 3 вдувают нагретый воздух (рис. 1). Углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает с выделением теплоты. Образуется газовый поток, содержащий угарный газ СО, углекислый газ СО2, водород Н2 и метан СН4. Эти газы, поднимаясь вверх, отдают теплоту шихтовым материалам. При температуре 570 ºС начинается восстановление оксидов железа. Расширяющаяся внизу шахта обеспечивает опускание материала и способствует равномерному распределению газов по сечению печи.

Восстановление железа в доменной печи осуществляется углеродом кокса, окисью углерода СО и водородом Н2. Восстановление газами называют косвенным, а восстановление железа твердым углеродом кокса – прямым.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз и ее нагревания от высшего окисла к низшему:

При температурах выше 1 000 ºС железо восстанавливается только прямым путем. После завершения процесса восстановления, при температуре 1 300–1 400 ºС, железо находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.

При взаимодействии губчатого железа с оксидом углерода и углеродом кокса оно насыщается углеродом за счет образования карбида железа (Fe3C), превращаясь в чугун:

Карбид железа растворяется в железе, образуя чугун, сплав железа с углеродом с более низкой температурой плавления, чем у чистого железа. Это происходит на уровне распара и заплечиков. Капли чугуна, стекая по кускам кокса, продолжают насыщаться углеродом до 4,3 %, марганцем, кремнием, фосфором, которые также восстанавливаются из руды при температуре 1 147 ºС.

В распаре также идет плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака, которое заканчивается в сужающихся заплечиках.

Марганец и кремний частично переходят в образовавшийся чугун, а частично в виде оксидов входят в состав шлака. Часть серы удаляется с газами при нагревании печи, а часть серы в виде сульфида железа FeS растворяются в чугуне. Благодаря присутствию в шлаке большого количества СаО протекает реакция:

FeS + СаО = СаS + FeО.

Образовавшийся сульфид кальция СаS не растворим в чугуне и удаляется в шлак.

На лещади 4 скапливаются жидкие чугун и шлак. Чугун выпускают из печи через 3–4 часа через чугунную летку 1 – специальное отверстие в стенке печи, а шлак – через каждые 1–1,5 часа через шлаковую летку Чугун сливают в ковши, а шлак в шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в сталеплавильные цеха в жидком виде или разливают в изложницы для получения слитков. Из шлака изготавливают шлаковату, цемент и т. п.

Чугун передельный предназначен для дальнейшего передела в сталь или переплавки в чугунолитейных цехах при производстве отливок.

1.2 Производство стали

В настоящее время наиболее распространенными способами выплавки углеродистой стали являются кислородно-конверторный и электродуговой.

Читать еще:  Металлообработка литье пластмасс

Производство стали в кислородных конверторах

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом. Механические свойства стали гораздо выше, чем у чугуна, что объясняется пониженным содержанием углерода, а также примесей в стали по сравнению с чугуном (табл. 1).

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Технологические особенности металлургии чугуна и стали

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, — металл становился хрупким и нековким. Так получился чугун.

Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая роль в этом прогрессе принадлежит русским и советским ученым. Так, основоположником теории производства литой стали был П. П. Аносов. Академики А. А. Байков, М. А. Павлов, И. П. Бардин — авторы важнейших теоретических трудов по доменному и сталеплавильному производству.

В последние годы в нашей стране разработаны и внедрены новые технологические процессы выплавки чугуна и стали. Советские металлурги первыми широко применили природный газ для доменной плавки. У нас раньше, чем в США, были введены в строй современные доменные печи объемом , а сейчас действуют печи объемом .

За короткий исторический промежуток времени СССР вышел на второе место в мире по выпуску черных металлов.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей и достигающих высоты при внутреннем диаметре около .

Разрез доменной печи схематически изображен на рис. 171. Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием — колошником, которое закрывается подвижной воронкой — колошниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть — горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы) в печь вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат — это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом (см. ниже). Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода.

Рис. 171. Схема доменной печи.

Рис. 172. Схема химических реакций, протекающих в различных частях доменной печи.

Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя , который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накаленного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в .

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Отдельные стадии процесса показаны в виде уравнений реакций на рис. 172.

Пустую породу в руде образует главным образом диоксид кремния . Это — тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляетя флюс. Обычно в качестве флюса используют . При взаимодействии его с образуется , легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи — распар — и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления.

Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до СО. Их сжигают в особых аппаратах — кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.

Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не требует капитального ремонта.

Процесс выплавки чугуна может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, благодаря чему отпадает необходимость в сложных и громоздких кауперах и весь металлургический процесс значительно упрощается. Вместе с тем резко повышается производительность печи и уменьшается расход топлива. Доменная печь, работающая на кислородном дутье, дает в 1,5 раза больше металла, а кокса требует на Д меньше, чем при воздушном дутье.

Современная доменная печь — мощный и высокопроизводительный агрегат. В нем перерабатываются огромные количества материалов. В печи объемом расходуется около 7000 т. агломерата и 2000 т. кокса в сутки. При этом получается 4000 т. чугуна. Иначе говоря, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 2,5 т. чугуна.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении содержащегося в чугуне углерода и примесей и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак. В СССР основная масса чугуна перерабатывается в сталь мартеновским способом.

Мартеновский процесс, разработанный французским инженером П. Мартеном, ведут в пламенной отражательной печи. В нее загружают чугун, а также стальной лом, требующий переплавки, и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или распыленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой . Металл и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счет кислорода воздуха.

Небольшое количество стали выплавляют в конверторах. Сущность конверторного или, по фамилии изобретателя, бессемеровского метода состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы, поворачивающийся на горизонтальной оси. Заливка чугуна и выливание готовой стали производятся в горизонтальном положении конвертора, а продувка воздухом — в вертикальном.

Конверторный метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартеновским. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской.

Это объясняется тем, что в ходе дутья в металле растворяется заметное количество азота, что обусловливает склонность бессемеровской стали к старению — утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Бессемеровская сталь значительно лучшего качества получается при использовании кислородного дутья.

Наиболее совершенный промышленный способ получения стали— плавка в электрических печах. Этим способом выплавляют в настоящее время большинство сортов специальных сталей. В электрической печи легко обеспечивается быстрый подъем и точное регулирование температуры; в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь с наименьшим количеством вредных примесей; в то же время заданный состав стали обеспечивается с высокой точностью.

При всех процессах выплавки жидкая сталь содержит небольшое количество растворенного кислорода (до 0,1 ). При кристаллизации стали кислород взаимодействует с растворенным углеродом, образуя оксид углерода (II). Этот газ (а также некоторые другие растворенные в жидкой стали газы), выделяется из стали в виде пузырей. Кроме того, по границам зерен стали выделяются оксиды железа и металлов примесей. Все это приводит к ухудшению механических свойств стали.

Поэтому процесс стали обычно заканчивается ее раскислением — уменьшением количества растворенного в жидкой стали кислорода. Существуют различные способы раскисления стали. Чаще всего применяется добавка к стали небольших количеств элементов, активно соединяющихся с кислородом. Обычно в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий, титан. Образующиеся оксиды этих элементов переходят в шлак.

Хорошо раскисленная сталь застывает спокойно — без газовы-деления — и называется спокойной. При застывании нераскислен» ной или неполностью раскисленной стали из нее выделяются газы, и металл как бы кипит; такая сталь называется кипящей. Спокойная сталь лучше кипящей. кипящие стали дешевле и также находят применение.

Выплавленную сталь выпускают в разливочный ковш и разливают в металлические формы — изложницы — или направляют на непрерывную разливку. После затвердевания сталь получается в виде слитков.

При кристаллизации сталь уменьшается в объеме. Поэтому в верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется пустота, называемая усадочной раковиной. Область слитка, расположенная ниже усадочной раковины, обладает рыхлой структурой. В слитках кипящей стали усадочная раковина образуется, но зато они пронизаны большим количеством пузырей. Слиткам присущи и другие дефекты, в частности неоднородность химического состава. Она обусловлена тем, что кристаллы, образующиеся в первую очередь, содержат минимальное количество примесей, а последние порции кристаллизующейся стали максимально обогащены ими; диффузия же атомов примесей, которая могла бы выравиять их концентрации, происходить не успвч вает, потому что слиток охлаждается быстро.

Для устранения дефектов слитков большая часть всей выплавляемой стали (около ) обрабатывается давлением. При этом структура стали делается значительно более однородной, в результате чего ее механические свойства улучшаются.

Процессы обработки давлением разнообразны. К ним принадлежат прокатка, волочение, прессование и другие. Важнейший вид обработки давлением это прокатка. Слитки, поступающие в прокатный металлургического завода, нагреваются до . При этом сталь переходит в состояние аустенита и ее пластичность сильно возрастает. Нагретые слитки поступают прокатный стан. Он представляет собой комплекс машин, главное назначение которых состоит в деформации металла с помощью вращающихся валков. Захватываемый валками слиток подвергается обжатию. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина увеличивается; операция повторяется многократно. Различные прокатные станы дают возможность получать разнообразную продукцию: листы, трубы, рельсы, балки, изделия более сложной формы, например железнодорожные колеса. Часть стали прокатывается не до получения готовой продукции, а лишь до полупродукта (листы, прутки ). Такой полупродукт в дальнейшем проходит обработку другими методами. Горячекатанная сталь — наиболее употребительный материал для производства машин, станков, строительных металлоконструкций, предметов широкого потребления.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector