Производство стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Производство стали в электропечах

Электрометаллургия стали

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Первая дуговая сталеплавильная печь в России была установлена в 1910 г., а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургический завод с несколькими электропечами.

В основе превращения электрической энергии в тепловую могут лежать процессы теплогенерации, происходящие:

1) при прохождении электрического тока через газ;

2) при воздействии электрического тока на магнитное поле и создании вихревых токов в металле;

3) при перемагничивании и поляризации диэлектриков;

4) при прохождении электрического тока через твердое (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;

5) за счет кинетической энергии электронов среды, участвующей в процессе.

Обычно в печах передача тепла происходит двухступенчато - от теплоносителя (электрической дуги и др.) к поверхности материала и от поверхности внутрь его. Первая ступень соответствует так называемой внешней задаче, вторая - внутренней задаче.

В условиях внешней задачи теплопередача осуществляется главным образом в результате теплового излучения и конвекции.

В условиях внутренней задачи теплообмен происходит главным образом в результате теплопроводности (кондукции). Однако в последнем случае при нагреве жидкости преобладает конвективный теплообмен. Ниже несколько подробнее рассматриваются режимы, характерные для внешнего теплообмена.

В связи с тем, что основным способом выплавки стали является кислородно-конвертерный, потребляющий меньшее количество лома по сравнению с мартеновским, возникли предпосылки для более быстрого развития электросталеплавильного производства, работающего на твердой шихте. Вторая важная причина развития выплавки стали в электропечах - все возрастающая потребность в легированных сталях и чистом металле из металлизованных окатышей. Развитие электросталеплавильного способа производства стали будет идти параллельно с кислородно-конвертерным.

На металлургических предприятиях с большим объемом производства низколегированной и трансформаторной сталей в основном применяют дуговые трехфазные электропечи вместимостью 50, 100 и 200т. На специализированных заводах по производству высококачественной и специальной сталей применяют дуговые электропечи вместимостью 3-100 т, индукционные электропечи обычных конструкций и вакуумные.

Высококачественные слитки (по структуре и поверхности) получают в вакуумных электропечах с расходуемым электродом и в печах электрошлакового переплава. В последнее время для получения сталей для атомной и ракетной техники применяют электронно-лучевые плазменные печи. Ферросплавы выплавляют в дуговых электропечах на специализированных заводах.

2. Производство стали в дуговых печах

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях, к которым подводится электрический ток по кабелям. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра.

Снаружи он заключён в прочный стальной кожух, внутри футерован основным или кислым кирпичом. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6.

Рис. 1. Схема дуговой плавильной печи

Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных - с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),

б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс, для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500…1540 ⁰C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали - конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

3. Область применения и назначение конструкционных и инструментальных сталей

Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода.

Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу они делятся на углеродистые и легированные; по назначению - на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами о 0 до 7. Качественные имеют меньше посторонних примесей. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Выпускаются две группы таких сталей: I - с нормальным и II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.

Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и др. Эти элементы придают стали определенные свойства: прочность, твердость, прокаливаемость, износостойкость и т.д.

Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится.

В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов: Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В-вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь.

Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.

Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63-65 HRCэ и теплостойкостью до 200-250 градусов С.

Они делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки этих сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных сталей в конце маркировки указывается буква А. Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.

Конструкционные стали - это стали, применяемые в строительстве и машиностроении для создания механизмов и различных конструкций. Принято выделять несколько основных видов конструкционных сталей:

- конструкционная углеродистая сталь;

- строительная сталь;

- цементуемая конструкционная сталь;

- конструкционная улучшаемая сталь;

- высокопрочная сталь;

- сталь конструкционная рессорно пружинная;

- подшипниковая конструкционная сталь;

- износостойкая сталь.

Марки конструкционных сталей включают в себя название материала «Сталь» или его сокращенный вариант «Ст», а также число, указывающее на процентное содержание углерода в материале. Например, Ст30. Следует учесть, что процентное содержание принято указывать в сотых долях процента, то есть сталь марки Ст30 будет содержать в своем составе 0,3% углерода.

Углеродистые конструкционные стали (автоматные) используются для создания крепежей станков-автоматов. Они отличаются высокой степенью обрабатываемости резанием, полученной благодаря высокому содержанию серы и фосфора. Маркировка конструкционных сталей этого вида состоит из литеры «А» и числа, обозначающего сотые доли процентного содержания углерода. Например, Сталь А12.

Строительные стали используются при создании конструкций, предназначенных для нефте- и газопроводов, мостов, ферм и т.п. Отличительные свойства конструкционных сталей этого вида - хорошая свариваемость. В эту же группу входит арматурная сталь, используемая для создания напряженных железобетонных конструкций. Если строительная конструкционная сталь подвергалась дополнительной обработке, то к ее условному обозначению впереди приставляется литера «М». Например, Ст М4.

К цементуемым относятся специальные конструкционные стали, использующиеся для изготовления деталей, испытывающих огромные нагрузки, имеющих большие размеры и сложную конфигурацию, например, зубчатых колес или осей.

Улучшаемыми принято называть среднеуглеродистые стали, подвергшиеся процедурам улучшения: закалке и быстрому отпуску при температуре 550-650 °С. Содержание углерода в них составляет от 0,3% до 0,5%.

Высокопрочные стали способны выдерживать колоссальные нагрузки. Их временное сопротивление превышает 1500 МПа. При этом такие конструкционные стали обладают высокой вязкостью. Применяются они для изготовления деталей машин, испытывающих сильную нагрузку.

По названию рессорно-пружинных сталей ясно, что это чрезвычайно упругие материалы, применяющиеся для изготовления пружин и деталей, необходимых для компенсации давления на них и исптывающих переменные нагрузки.

К подшипниковым относятся высокоуглеродистые или низкоуглеродистые стали, которые находятся в цементованном состоянии. Их особенность - высокая твердость.

Износостойкие стали образуются в результате графитизации, наклепа и использования наплавов. В результате получается конструкционная сталь с очень твердой поверхностью и устойчивая к износу.

К общим свойствам конструкционных сталей можно отнести:

- высокую прочность, вязкость и пластичность;

- отличную обрабатываемость резанием, давлением;

- высокие показатели свариваемости;

- отсутствие снижения содержания углерода при термической обработке;

- минимальную склонность к деформации и растрескиванию;

- максимальную износостойкость.

Область применения конструкционных углеродистых сталей зависит от их характеристик. Так, например, стали марок СТ1 и Ст2 чаще всего используются для изготовления проволоки и гвоздей. Для сталей марок Ст3 и Ст4 больше подходит фасонный прокат. Из них же часто делают крепежные детали. Ст5 и Ст6 преимущественно применяется для производства слабонагруженных осей и валов.

Стали повышенного качества (марки от Ст10 до Ст70) используются для изготовления более ответственных деталей машин и конструкций. Так, сталь 20 и сталь 25 преимущественно применяются для создания цельнотянутых труб и сварных узлов. А Ст50-70 подходят для осей, валов, винтов, муфт и втулок.

Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300-350 градусов С) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей., что первая цифра в начале марки означает содержание углерода в десятых долях процента.

Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRC и износостойкость.

Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами. Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.

Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.

Примерное назначение и свойства быстрорежущих сталей

Литература

сталь плавильный печь дуговой

1. Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов и материаловедение, - М.: Металлургия, 1987.

2. Соколов. Г.А. Производство стали. М.: Металлургия, 1987.

3. Дальский А.М и др. Технология конструкционных материалов. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1987.

4. Целиков А.И., Полухин П.И., Гребеник В.М. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. Том 2. Машины и агрегаты сталеплавильного производства. Учебник для вузов - М.: «Металлургия», 1988. - 432 с.

5. Сивак Б., Протасов А. Современное состояние и перспективы разхвития минизаводов по производству сортового проката // Национальная металлургия, 2002, №2, с. 38-43.

6. Ганьжин В. Киселев Ю. Технология XXI века. Перспективы России // Национальная металлургия, 2003, №1, с. 77-87.

Размещено на Allbest.ru