Способи та технології виробництва сталі

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

Вступ

Актуальність теми.

Сталь є основним конструкційним матеріалом для машинобудування, промислового будівництва, транспортних засобів і т.ін. Швидкий розвиток промисловості і сільського господарства був би неможливий без задоволення потреб у сучасній машинній техніці і металевих виробах. Внаслідок своєї розповсюдженості в природі та відносно малої вартості способів отримання заліза і його сплавів вони займають головне місце в народному господарстві. Залізо в чистому вигляді в промисловості отримують і споживають у незначній кількості.

Основну масу заліза отримують і споживають у вигляді сплавів - сталі і чавуну, що називаються чорними металами. Частка сталі в загальному споживанні чорних металів складає близько 90 %, тобто сталь є основним видом металу, що використовується для створення сучасної техніки. Це пояснюється тим, що, по-перше, сталь є чудовим конструкційним матеріалом (має високу міцність і стійкість до зносу, добре зберігає форму в різних виробах, відносно легко піддається обробці тиском, зварюванню і т.ін.); по-друге, основний компонент сталі -залізо -є розповсюдженим елементом у земній корі (займає друге місце після алюмінію), знаходиться у вигляді великих шарів залізовмісних мінералів, що називаються рудами.

Мета і задача дослідження.

Основною метою роботи є розгляд способів та технологій виробництва сталі. І обґрунтовування їх ефективності.

Основні задачі дослідження:

сировинна база технології сталеплавильного виробництва;

способи виробництва сталі;

- технології виробництва сталі (киснево-конверторне, мартенівське, електрометалургійне, бесемерівський);

процеси рафінування, розливання, маркування сталей;

ефективність технологій виробництва сталей.

Об'єкт дослідження.

Сталь - сплав заліза з вуглецем та іншими хімічними елементами з вмістом вуглецю до 2,14 %.У цьому сплаві залізо є основою(розчинником),а інші елементи - домішками, розчиненими в залізі.

Предмет дослідження.

Прикладні засади та ресурси технології сталеплавильного виробництва.

Методи дослідження.

Теоретичний аналіз та порівняння технологій та способів виробництва сталі.

1. Сировинна база технології сталеплавильного виробництва

Сировина: чавун , металобрухт , оксиди заліза.

Допоміжні матеріали: повітря , збагачене киснем , добавки (наприклад , оксид кальцію , феромарганець) .

Основний хімічний процес: що містяться в рідкому чавуні елементи (вуглець , кремній , марганець , фосфор і сірка) окислюються киснем:

Утворився оксид заліза (II) теж бере участь в окисленні домішок:

Оксиди кремнію і фосфору з вапном утворюють шлак:

Побічні процеси: для видалення утворюється оксиду заліза (II) додають феромарганець (так званий раскислитель):



Оксид марганцю (II) переходить в шлак:

Особливості технологічного процесу:

1) киснево - конверторний спосіб . Окислення домішок проводять у спеціальних апаратах - конверторах продуванням повітря через розплавлений чавун (нижнє дуття) або кисню над розплавом (верхнє дуття);

2) мартенівський спосіб . Домішки окислюють в мартенівських печах , пропускаючи попередньо нагрітий у регенераторах повітря і топкові гази над розплавленим чавуном. Виробництво періодичне .

Виробництво: у природі не існує металу під назвою сталь. Щоб його виготовити , потрібно трохи сучасної алхімії. Все починається з заліза - це основна складова стали , його добувають з руди. По всьому світу ведеться видобуток руди , багатої на залізо . Її переробляють і везуть на металургійні заводи. Залізна руда - це оксид заліза або залізо , пов'язане з киснем. Проблема в тому, щоб очистити залізо від кисню і відокремити від породи. Щоб це зробити , треба її розплавити .Залізну руду підіймають у верхню частину печі в контейнерах розміром з сміттєвоз і засипають в піч. Потім руда обробляється величезною струменем гарячого повітря , ось чому домна має таку назву - порода плавиться при температурі 2000 ° С.Це більше не залізна руда , тепер це розплавлене залізо. Звідси залізо зливають в поїзд , звичайно ж , незвичайний , він називається « торпеда ». Поїзд спеціально пристосований для перевезення розплавленого заліза температурою 1500 ° С. Кожен день 10 тисяч тонн розплавленого заліза доставляється в іншу частину заводу , де з нього виготовлять сталь. Залізо виливає спеціальний величезний барабан , що вміщає 350 тонн. Зовні це схоже на рідкий вогонь і через 30 хвилин це розплавлене залізо перетвориться на сталь. Цей процес складається з трьох етапів. Крок перший - додається металобрухт. Це може здатися дивним , але металобрухт допомагає контролювати температуру. Крок другий - залити зверху залізо і підмішати секретний інгредієнт - вапно. Крок третій - додати кисень , раніше він був не потрібен , але тепер необхідний .Наступний крок - видалити домішки , наприклад , вуглець. Щоб це зробити, треба подати кисень в нижню частину суміші. Сплав продувається надчистого киснем зі швидкістю в два рази більше звуковий , завдяки цьому вуглець перетворюється на газ , а залізо - у сталь. Коли відкривається ємність , на поверхні плавають відходи , так званий шлак , його витягує вапно. Ось і вийшла високоякісна сталь , вируюча під поверхнею . Далі сплав виливається з дна ємності і ми бачимо сталь в перший раз. Гаряча сталь проходить процес охолодження водою, проходячи через охолоджені вали і водяні форсунки. Навіть після того , як сталь перестане палати гарячим червоним вогнем , потрібно ще дуже багато часу , щоб її остудити. Тільки тоді вона готова для використання.

Основний продукт: сталь.

Склад: сплав заліза , що містить менше 2 % С, 0,35 % Si , 0,6 % Mn , 0,06 % S , 0,07 % Р , легуючі метали (Со, Cr , Ni , W , A1 та ін) .

Властивості: висока міцність , пластичність , зварюваність , жаростійкість , зносостійкість .

Застосування: конструкційні матеріали , в будівництві, виробництві труб для газо- і нафтопроводів , деталей машин і механізмів (осі , шестерні , пружини , колінчаті вали) , апаратів і деталей в хімічному машинобудуванні .

Побічні продукти: шлак , що відходить газ.

Утилізація побічних продуктів: шлак , що містить фосфор , використовують як мінеральних добрив.

Новітнім напрямом у виробництві сталі є пряме відновлення залізної руди воднем , природним або генераторним газом , минаючи доменні процеси . При цьому отримують губчасте залізо , склад якого на відміну від доменного чавуну дуже близький до сталі. Мартенівський спосіб в даний час також застарів. Набагато більш прогресивними є конверторний і електроплавильний . Відбувається бурхливий розвиток технології безперервного розливання сталі завдяки її виключно високої ефективності. Основними напрямками економічного і соціального розвитку до 2000 р. передбачено збільшити виплавку конверторної сталі і електросталі в 1,3-1,4 рази , розливку стали безперервним способом не менш ніж у 2 рази і випуск металевих порошків більш ніж в 3 рази.

2. Способи виробництва сталі

Як відомо, сталь є сплавом заліза з вуглецем або з іншими елементами, причому відсоток вуглецю повинен варіюватися в межах 0,02-2,14. Саме за рахунок вуглецю сплави стають менш пластичними, отримуючи при цьому необхідну жорсткість і міцність.

По хімічному складу сталь ділитися на вуглецеву сталь і леговану сталь. За якістю сталь ділять на 4 групи: сталь звичайної якості, якісну сталь, сталь підвищеної якості і високоякісну сталь. Якість сталі безпосередньо залежить від способу виготовлення.

Ш Виробництво сталі в конвертерах

Сталеплавильні агрегати для виробництва сталі розрізняються між собою за джерелом енергії, необхідної для нагрівання металу до необхідної температури. У конвертерах нагрів відбувається за рахунок тепла, що виділяється при окисленні заліза, вуглецю та інших домішок, в мартенівських печах-за рахунок тепла горіння рідкого (мазут) або газоподібного (природний газ) палива, в електродугових печах - за рахунок підводиться електроенергії.

Сутність виробництва сталі в конвертерах полягає в тому, що при вдування газоподібного кисню в метал відбувається окислення заліза, вуглецю, кремнію і марганцю.

У результаті протікання цих реакцій виділяється тепло, що забезпечує не тільки нагрівання металу, але і можливість переробляти до 30% металобрухту. Продукти реакції окислення заліза, марганцю і кремнію утворюють первинний шлак, який може інтенсивно розчиняти футеровку. Для запобігання руйнування футеровки в конвертер додають вапно. Шлаки з високим вмістом СаО слабо взаємодіє з футерівкою. Крім того, такі шлаки забезпечує рафінування сталі від фосфору і частково від сірки.

Рис. 1. Загальний вигляд конвертера з верхньою продувкою: 1 - опорний підшипник, 2 - цапфа, 3 - кожух; 4 - опорне кільце, 5-футеровка, 6 - опорна станина

Пристрій кисневого конвертера. В даний час при виробництві сталі застосовується два типи конвертерів: з продувкою киснем зверху і з комбінованою продувкою. На рис.1 наведена схема конвертера з верхньою продувкою. Власне конвертер являє собою металевий зварений кожух, футеровані всередині. В якості вогнетривкого матеріалу використовується зазвичай смолодоломітовий цегла. Футеровка конвертера працює у важких умовах. На неї впливають високі температури і її коливання, вона відчуває механічні удари шматків твердих завантажуються матеріалів. Особливо важкі умови роботи футеровки-в зоні шлакового пояса. Стійкість футерівки сягає 1000 і більше плавок.



Рис. 2. Схема технології виробництва сталі в конвертері: А - завалка скрапу; б - заливка чавуну; в - завантаження шлакоутворюючих матеріалів; г - продування металу киснем; д - випуск сталі через річку; е - злив шлаку через горловину.

Ш Виробництво сталі в мартенівських печах.

Джерелом тепла для розігріву, плавлення і подальшого нагрівання металу в мартенівської печі є рідке (мазут) або газоподібне (природний та коксовий газ) паливо або їх суміш. Для спалювання палива використовується попередньо нагріте повітря або повітря, збагачене киснем до 28 ... 35%. Який створюється у робочому просторі печі полум'я випромінює тепло або безпосередньо на ванну, або на склепіння печі, від якого тепло відбивається на ванну і нагріває шихтові матеріали. Принцип роботи мартенівської печі, опалювальної газом, полягає в наступному (рис.3): через нагріті регенератори справа в піч з роздільним каналах надходять газ і повітря. У печі відбувається горіння палива. Факел, що утворюється в результаті горіння, повинен мати хороші настильність (стелитися над поверхнею ванни) і світність. Настильність покращує конвективний нагрівання ванни, а світність забезпечує передачу тепла випромінюванням безпосередньо на ванну або відображенням від склепіння. Продукти горіння відводяться в трубу з лівого боку печі через шлаковика для осадження пилу, далі через регенератори (для його нагрівання) і систему кнурів, що включають клапани і шибери. Через деякий час праві регенератори, віддаючи тепло на нагрівання газу і повітря, остигають, а ліві - нагріваються газами, що відходять. Тоді виробляють перекидання клапанів, тобто закриваючи одні клапани і відкриваючи інші, змінюють напрямок руху газів в печі: паливо і повітря подаються ліворуч, а продукти горіння відводяться вправо. Інакше кажучи, мартенівська піч працює реверсивно: факел створюється то з однієї, то з іншого боку. Всі елементи мартенівських печей футерована вогнетривкими матеріалами.

Варіанти мартенівського процесу. Розрізняють два варіанти мартенівського процесу: скрап-рудний і скрап-процес. У скрап-рудному процесі основної складової металевої частини (55 ... 75%) шихти є рідкий чавун, а інше-металобрухт. Тому скрап-рудним процесом виплавляють сталь на заводах повного металургійного циклу, там, де є доменні печі. Підвищений відсоток чавуну в шихті при скрап-рудному процесі супроводжується підвищеним вихідним вмістом вуглецю в розплаві, що вимагає збільшення витрати окислювача для його видалення. З цією метою в завалку додають залізну руду, а по ходу плавки метал продувають киснем через спеціальні склепінчасті фурми.

Рис. 3. Схема мартенівської печі, що працює з використанням газоподібного палива: 1 - робочий простір; 2 - шлаковика; 3 - регенератори, 4 - повітряні клапани, 5, 9 - димові шибери: 6 - 8 - газові клапапи; 10-вентилятор; 11-димова труба

Основною складовою металевої частини шихти при скрап-процесі є сталевий брухт. Зміст чавуну в шихті знаходиться зазвичай в межах 25 ... 40%. Цей процес застосовується звичайно на заводах, де немає доменного виробництва, і тому в цьому випадку використовується твердий чавун.

У загальному випадку можна виділити наступні періоди мартенівської плавки: заправку, завалку, прогрів, заливку чавуну, плавлення, кипіння, попереднє розкислення, випуск.

Техніко-економічні показники роботи мартенівських печей. Продуктивність мартенівських печей оцінюється по добовому виробництву на 1 м 2 площі поду. Вона залежить від місткості печі, типу процесу, застосовуваного палива, технології виробництва та інших чинників.

Ш Виробництво сталі в дугових електропечах

Нагрівання матеріалів в електродуговій печі здійснюється за рахунок тепла, що виділяється при горінні електричної дуги.

Рис. 4. Схема дугової електропечі: 1 - звід; 2 - стіни, 3 - жолоб; 4 - сталевипускного отвір, 5 - електрична дуга; 6 - Подина; 7 - робоче вікно, 8 - заслінка; 9 - електроди; 10 - шлак; 11 - метал.

Піч складається з кожуха, виконаного з 10 ... 40-мм листового заліза, склепіння та механізмів їх повороту, електродотримачів, електродів і механізмів їх переміщення, механізму для нахилу печі і трансформатора. Кожух складається з двох половин - сфероїдального днища і циліндричних стін. У кожусі є робоче вікно для заправки печі і введення різних добавок і зливний жолоб, по якому метал випускають у ківш. Для цього піч за допомогою спеціального механізму нахиляється на 40 ... 45 °, Цей же механізм забезпечує нахил печі у бік робочого вікна на 10 ... 15 ° для полегшення скачування шлаку.

Завантаження шихтовими матеріалами електродугових печей відбувається зверху за допомогою спеціальних кошиків. З цією метою піднімаються електроди, підводиться звід і потім або звід відводиться убік, або корпус печі викочується з-під склепіння. Після цього в робочий простір з кошика (бадді) завантажують металобрухт, чавун та інші необхідні для початку плавки матеріали.

3. Технології виробництва сталі

сплав сталь електрометалургійний домішки

Ш Киснево-конверторний спосіб одержання сталі

Конверторний спосіб оснований на продувці розплавленого чавуну киснем, який окиснює домішки, які містяться в чавуні. Основний агрегат - кисневий конвертор, що являє собою стальну посудину грушоподібної форми, яка футерована вогнетривкою цеглою. Подача кисню під тиском 0,8 - 1,2 МПа здійснюється через фурму, що охолоджується водою.

Перед початком процесу в конвертор завантажують залізну руду, стальний брухт, вапно і заливають рідкий чавун. В конвертор опускають фурму і починають продувку киснем. Кисневий струмінь при попаданні в рідкий чавун насамперед окислює залізо з утворенням його закису (FeO):

2 Fe + O2 > 2 FeO.

Закис заліза частково переходить у шлак, а частково розчиняється в рідкому металі, що сприяє окисненню інших складових чавуну: одні з них згорають і утворюють шлак, інші - видаляються у вигляді газів. Вигоряння вуглецю починається з перших хвилин продувки:

C + FeO > Fe + CO.

Водночас з ним окислюються марганець і силіцій:

Mn + FeO > Fe + MnO,

Si + 2 FeO > 2 Fe + SiO2.

Для видалення фосфору в шлак його необхідно зв'язати з киснем в фосфорний ангідрит (Р2О5). Ошлакування фосфору здійснюється доданням флюсу - вапна:

2 P + 5 FeO + 4 CaO > 4CaO*P2O5 + 5 Fe.

Крім того, у розплаві протікають реакції прямого відновлення заліза:

C + O2 > CO2,

2 Mn + O2 > 2 MnO і т.д.

По мірі вигоряння вуглецю й інших елементів утворюється надмірна кількість тепла, аж до руйнування футерівки конвертора, перегріву металу і, як наслідок цього, до підвищеного угару металу і погіршення якості сталі. Для охолодження розплаву в нього вводять охолоджуючі добавки: залізну руду, стальний брухт.

Охолоджуюча дія залізної руди пов'язана з ендотермічним процесом відновлення заліза з руди при контакті з вуглецем чавуну. При додаванні брухту розплавлений метал охолоджується за рахунок його нагріву і розплавлення. Шлак, що накопичується, зливають у процесі плавки. При доведенні вмісту вуглецю до заданого дуття відключають і сталь виливають з конвертора в ківш.

Однак закис заліза, що утворився при плавці і залишився у сталі додає їй крихкості і знижує міцність. Щоб видалити цю шкідливу домішку сталь розкислюють. У ківш зі сталлю вводять дрібні грудки розкислювачів (феросиліцій, феромарганець, алюміній і ін.) - хімічних елементів, що більше активні до кисню (оксиґену) ніж залізо. Розкислювачі зв'язують в оксиди силіцій і марганець, що легко спливають в шлак, а сталь при цьому звільняється від розчиненого в ній кисню:

FeO + Mn > Fe + MnO,

2 FeO + Si > 2 Fe + SiO2.

Після розкислення сталь розливають по формах (виливницях), де вона застигає у вигляді злитків. В кисневих конверторах виплавляють вуглецеві і низьколеговані сталі. Киснево-конверторний спосіб - найпродуктивніший (тривалість плавки - 50-60 хв.). Процес не потребує палива (використовується фізичне тепло рідкого чавуну і екзотермічних реакцій вигоряння домішок). Але при цьому способі вихід готового металу порівняно невеликий (90-92 % від вихідного) і ним можна переробляти тільки невелику кількість металобрухту.

Ш Мартенівський спосіб одержання сталі

Мартенівський спосіб з'явився в результаті необхідності переробки великої кількості металобрухту, масова переробка якого в конверторах неможлива. Ця проблема була вирішена шляхом створення полуменевої (мартенівської) печі. Понад 80 % всієї виплавленої сталі одержують мартенівським способом. Розповсюдженість способу пояснюється його універсальністю:

- плавку можна вести як на твердій, так і на рідкій шихті з будь-якими співвідношеннями металобрухту і чавуну;

- спосіб характеризується невисокими вимогами до якості сиро-вини;

- процес плавки добре регулюється;

- вихід готової сталі високий;

- процес дозволяє виготовити сталь майже всього сортаменту.

Мартенівська піч (рис.) являє собою споруду з вогнетривкої цегли, яка стягнута рядом металічних балок, що утворюють зовнішній каркас. Робочий простір печі обмежений зверху склепінням, знизу - подом, спереду і ззаду - стінками, з боків - головками. Головки служать для подачі палива і повітря в робочий простір печі, а також для відводу продуктів згоряння з печі. Піч має вигляд овальної чаші, в ньому відбувається процес плавки. Передня стінка має ряд завалочних вікон для завантаження шихтових матеріалів, а задня стінка - льотку для випуску металу.

Основні матеріали шихти для мартенівської плавки такі: чавун, скрап, металобрухт, розкислювачі, легуючі добавки, залізна руда, вапняк і ін.

Підготовка шихти включає операції дроблення і різання негабаритного металобрухту і пакування дрібного; дроблення вапняку до 50-150 мм; сортування чушкового чавуну за марками, класами і категоріями. Крім чавуну в шихті використовують обрізки металу, брак лиття, металобрухт. Підготовлену шихту з доданням розкислювачів і легуючих добавок завантажують в піч. Після прогріву шихти (твердої її частини) в піч заливають чавун і починається процес плавки. Однією з основних характеристик мартенівської печі є садка - маса металевої частини шихти, що завантажується в піч.

В основі процесу мартенівської плавки лежать окисні процеси, в результаті яких з металічної шихти одержують рідку сталь заданого складу. На відміну від конверторів у мартенівських печах плавка йде за рахунок тепла полум'я, що утворюється при горінні в робочому просторі печі суміші доменного і коксового газів. Для утворення в печі високих температур (1800 - 1850 оС) і економії палива газ і повітря перед подачею в піч підігрівають теплом продуктів горіння в регенераторах до температури 1200 - 1300 °C. При попаданні в робочий простір печі газ стикається з повітрям і загоряється. Під дією цього тепла шихта нагрівається і плавиться. Водночас з розплавленням металу відбувається окиснення його основних компонентів. Основним окислювачем є кисень повітря, який засмоктується в робочий простір печі з атмосфери. Залізо шихти при окисненні переходить у закис заліза (FeO), а домішки в відповідні оксиди - кремнезем (SiO2), закис марганцю (MnO), оксид вуглецю (СО) і ін. Оксид вуглецю (СО) видаляється з димовими газами, а інші переходять в шлак, що накопичується на поверхні металу. Перемішування металу при виділенні бульбашок СО сприяє окисненню домішок. Коли метал покриється шаром шлаку, безпосереднє окиснення домішок киснем повітря стає неможливим і подальше окиснення протікає за рахунок закису заліза, що розчинений в металі. У готової сталі закис заліза (FeO) - шкідлива домішка, але під час плавки його присутність корисна, тому що він - єдине джерело кисню для вигоряння домішок:

2FeO + Si > 2 Fe + SiO2,

FeO + Mn > Fe + MnO,

FeO + C > Fe + CO.

Додання в шихту флюсів (вапна або вапняку) сприяє видаленню з металу сірки і фосфору. В ряді випадків для розрідження шлаку вводять боксити і плавиковий шпат. Для інтенсивності плавки використовують кисень, що не тільки скорочує тривалість плавки, але й витрату палива. Інтенсивність окиснення можна підвищити завантаженням в піч залізної руди. Додання руди ефективне тому, що водночас з очищенням металу від домішок відбувається відновлення заліза з оксидів руди. Залізо, що утворилося, розчинюється в металі і підвищує вихід готової продукції. Сірка і фосфор, що знаходяться в руді, при плавці не видаляються, тому що їх сполуки P2O5 і FeS добре розчиняються в сталі. Для їх видалення в шихту вводять флюс - вапняк, який при нагріванні розкладається:

СаСО3 > СаО + СО2.

Вапно (СаО), що входить до складу шлаку, хімічно зв'язується з фосфором і переводить його в шлак [P2O5(CaO)4]. При цьому частково видаляється й сірка.

Шлак, що утворився при плавці, зливають. Під час плавки беруть проби металу для визначення його хімічного складу і доведення цього складу до заданого. Коли метал доведений до заданого складу, в нього вводять розкиснювачі (в основному феросплави) щоб відібрати кисень у закису заліза, що залишився в металі. Після завантаження розкиснювачів сталь випускають з печі.

В мартенівських печах виплавляють в основному вуглецеві конструктивні сталі нормальної і підвищеної якості, а також ряд марок інструментальних і низьколегованих сталей.

Ш Електрометалургійний спосіб одержання сталі.

Почали використовувати на поч. ХХ ст. Виплавляють сталь у дугових і індукційних печах. Температури перевищують 2000 0С. Це дозволяє виплавляти сталі і сплави будь-якого складу і високої якості, однак дорогі.

Ємність електродугових печей 25 - 200 т, тривалість плавки 2 - 6 год, добова продуктивність електродугової печі середньої місткості - 12 - 15 т на 1000 кВт потужності трансформатора, індукційної печі - 40 т/1000 кВт, витрати електроенергії - 500 - 600 кВт*год/1 т сталі. Витрати графітових електродів - 6,5 шт./1 т сталі.

До складу шихти входять: стальний брухт, відходи сталеплавильного виробництва, залізна руда, окалина, флюси. У піч завантажують шихту, опускають електроди. Між електродами і шихтою утворюється електрична дуга, шихта розплавлюється, шлак зливається, кипить розплав, виливається готова сталь.

Легування - процес введення у метали або їхні сплави для зміни їх механічних або фізичних властивостей інших металів або їх сплавів. Легуючі матеріали вводять або у розплавлені метали, або у твердий метал. Сталь легується хромом, нікелем, марганцем, вольфрамом, титаном, алюмінієм, міддю, цирконієм та іншими елементами. При сумарному вмісті легуючих елементів (присадок) до 3-5% сталь вважається низьколегованою, вмістом 5-10% - середньо-, 10% та більше - високолегованою.

Отриману будь-яким способом сталь розливають в ізложниці - чавунні форми з закругленою багатокутною або квадратною формою поперечного перерізу, де знаходиться сталь, кристалізується та ріжеться на окремі злитки. Оброблені злитки нагрівають та прокочують у прокатних цехах, де вони перетворюються у заготовки.

Ш Бесемерівський і томасівській способи одержання сталі.

Бесемерівську сталь одержують в конвертері. Конвертер є судиною грушовидної форми, викладеною всередині кислим вогнетривким матеріалом. Дно конвертера має ряд дрібних отворів, через які з повітряної коробки подається повітря під тиском 1,5-2,5 атм.

Кисень повітря із залізом утворює оксид заліза, який розчиняється в рідкому металі і окислює інші складові чавуну: кремній, марганець і вуглець. При цьому виділяється теплота, якої достатньо не тільки для підтримки чавуну в рідкому стані під час плавки, але і нагріву металу.

Для переробки фосфоровмісних чавунів футеровка конвертера викладається з основного вогнетривкого матеріалу. Такий спосіб виробництва сталі має назву томасівського, при якому в конвертер разом з рідким чавуном додають обпалене вапно в кількості 12--18% від маси чавуну. Спочатку окислюються кремній і марганець, потім - вуглець і в останню чергу - фосфор. У кінці процесу додають дзеркальний чавун або феромарганець для розкислювання і навуглецьовування.

4. Процеси рафінування, розливання, маркування сталей

Ш Рафінування сталі.

Якщо ще 20 років тому всі процеси рафінування здійснювалися безпосередньо в сталеплавильних агрегатах, то в даний час багато хто з цих функцій винесені з агрегату в ківш. У ланцюжку виплавка сталі в агрегаті-розливання сталі з'явилося проміжну ланку-позапічна обробка сталі. Всі сучасні сталеплавильні цехи в більшій чи меншій мірі обладнані різними установками для рафінування сталі в ковші. До завдань відділень позапічної обробки сталі входять розкислення, легування, усереднення металу за складом і температурі, десульфурация, дегазація і модифікування. (Під модифікуванням розуміють введення мікро добавок, що змінюють структуру металу, а також склад, властивості і форму фаз, що виділяються при кристалізації і подальшому охолодженні сталі).

Випуск сталі у ківш. Після закінчення плавки сталі в агрегаті її випускають у попередньо підігрітий сталерозливний ківш. Він являє собою зварений чи клепані металевий кожух у формі усіченого конуса, футеровані всередині вогнетривкою цеглою (зазвичай шамотним). Ківш обладнаний стопорним механізмом або шиберним затвором.

Продування сталі в ковші інертним газом. Завданням цього методу обробки є, в першу чергу, усереднення обсягу металу за складом і температурі, а також часткова дегазація та очищення сталі від неметалевих включень. Продування здійснюють або через пористі пробки в днищі ковша, або через спеціальні фурми, що вводяться в розплав зверху. В якості робочого газу використовується аргон. Продування триває 5-8 хв. Це забезпечує повне вирівнювання складу металу і температури, приблизно вдвічі знижує вміст неметалевих включень і на 25 ... 35% зменшує водень в сталі.

Обробка стали синтетичними шлаками. Для боротьби з сіркою в ряді сталеплавильних цехів застосовується обробка сталі в ковші синтетичним шлаком. З цією метою в спеціальній електропечі виплавляють шлак, що володіє високою сорбційною здатністю по відношенню до сірки (добре поглинає сірку). Цей шлак у кількості 3 ... 5% від маси металу заливають у сталерозливний ківш і на нього випускають метал з сталеплавильного агрегату. Падаючи з великої висоти, метал інтенсивно переміщується зі шлаком, і краплі останнього спливають у металі. Цим досягається велика поверхня взаємодії, що сприяє швидкому протіканню процесу. Цей спосіб забезпечує зниження вмісту сірки в металі в 2 ... 3 рази.

Продування металу порошкоподібними матеріалами. В даний час цей метод використовується для глибокої десульфурації сталі. Це дозволяє одержувати сталь з дуже низьким (0,003% і нижче) вмістом сірки.

Ш Розливання сталі.

Розливання сталі є заключною стадією сталеплавильного виробництва. Від її правильного проведення залежить кінцева якість сталі. На розливку метал надходить в сталеразливочном. ковші після позапічної обробки. Сталь розливають або в виливниці, або на машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).

Розливання сталі у виливниці. Розрізняють два способи розливання у виливниці: зверху і сифоном.

Кожен з видів розливання сталі у виливниці має свої переваги і недоліки. Основними перевагами розливання сталі зверху є простота підготовки піддонів і малі втрати металу (немає ливникових систем). Однак у цьому випадку за рахунок розбризкування виходить погана поверхню металу, а також низька продуктивність розливання (кожен злиток розливається послідовно). Тому розливку зверху застосовують при отриманні щодо великих злитків. Розливка сифоном забезпечує хорошу поверхню злитків, її продуктивність значно вище, ніж розливання зверху. Однак при цьому ускладнюється процес підготовки виливниць до розливання і зменшується вихід придатного, так як частина металу твердне в литниковой системі.

Безперервне розливання сталі. У сучасних конвертерних та електросталеплавільньгх цехах розливання сталі здійснюють не в виливниці, а на машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).

Безперервне розливання поширюється не тільки на заводах чорної, а й. кольорової металургії. Переваги безперервного розливання сталі в порівнянні з розливанням у виливниці величезні. Якщо при розливанні сталі у виливниці повертається в переплав 20 ... 30% сталі, то у процесі безперервного розливання ця величина не перевищує 5%. Інакше кажучи, переклад розливання у виливниці на безперервне розливання дозволяє на кожній тонні сталі заощадити від 100 до 200 кг металу. На відміну від розливання у виливниці у процесі безперервного розливання отримують не злиток, а заготівлю і, отже, немає необхідності мати в складі заводу цехи по прокатці заготовки із злитка. Крім того, у процесі безперервного розливання немає виливниць і цехи з їх підготовки до розливання. Слід також мати на увазі, що процес безперервного розливання піддасться автоматизації. Розробляються методи суміщення безперервного розливання з прокаткою.

Ш Принцип маркування сталей.

Для чого взагалі потрібне маркування і найголовніше - що воно означає? У першу чергу, це якийсь нанесений код, що відображає властивості товару. Для кожного товару наноситься свій код. Будь-яка промисловість (хімічна, автомобільна, важка, легка) вимагає маркування або нанесення штрих-кодів.

Промислове маркування (наприклад, маркування сталей і сплавів) допомагає якісно виконувати подальші роботи там, де з'явиться згодом даний товар. Припустимо, маркування труб дозволить будівельникам зробити роботи з водопроводом правильно, що, у свою чергу, не призведе до несподіваних аварій і проривів труб при навантаженні.

Проводиться маркування сталей незмивною фарбою. Нижче коротко представлена класифікація та маркування сталей.

Конструкційні вуглецеві сталі містять до 0,65 % вуглецю. Залежно від якості їх маркують так: звичайної якості: Ст0, Ст1 ... Ст6, де літери Ст означають сталь, цифри - умовний порядковий номер; якісні: 08, 10, 15, 25, 30, 35... 65 (числа вказують на середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка), 45Г, 60Г, 65Г (літера свідчить про підвищений вміст марганцю).

Залежно від ступеня розкислення, після позначення марки сталі додають літери: кп -- кипляча, пс -- напівспокійна, сп -- спокійна.

Інструментальні вуглецеві сталі містять 0,65--1,35 % вуглецю. Їх маркують так: якісні - У7, У8 ... У13 - літера У свідчить, що це вуглецева інструментальна сталь, число означає вміст вуглецю в десятих частках відсотка; високоякісні - У8А, У10А ... У13А (літера А свідчить, що це сталь високої якості). Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних і вимірювальних інструментів, штампів, пресформ та ін.

Леговані сталі маркують за допомогою великих літер і цифр. Легуючі елементи позначають літерами: С -- кремній, X -- хром, M -- молібден, Г -- марганець, H -- нікель, В -- вольфрам, Ф -- ванадій, К -- кобальт, Т -- титан, Ю -- алюміній, Д -- мідь.

Цифри перед літерами означають відсотковий вміст вуглецю (дві цифри -- в сотих частках, одна -- в десятих). При вмісті вуглецю більше ніж 1 % цифру не ставлять.

Цифри після літер означають середній вміст легуючих елементів у відсотках. Якщо цифру після літери не ставлять, то вміст легуючого елемента становить 1- 1,5 %.

Деякі сталі спеціального призначення мають особливе маркування, наприклад: Р -- швидкорізальна сталь, Ш -- шарикопідшипникова та ін.

Найбільш поширені леговані сталі:

а) конструкційні -- 15Х, 20Х, 40Х, 45Х;

б) інструментальні -- ХВГ, 9ХС, ХВ5;

в) швидкорізальні -- Р12, Р9, Р18, Р6МЗ, Р6С5;

г) жаростійкі -- Х8СМ;

д) жароміцні -- Х23Н18, Х23Р20С2;

е) нержавіючі -- 2X13.

Використання легованих сталей дає можливість зменшити матеріаломісткість машин, конструкцій, збільшити їх довговічність. Проте такі сталі дорогі, оскільки процес їх одержання складніший. Тому найдоцільніше використовувати низьколеговані сталі, застосування яких забезпечує зниження затрат металу на 18--20 %.

5. Ефективність технологій виробництва сталей

Досвід показує, що більш прогресивним способом виробництва сталі є киснево-конверторний. У зв'язку з цим в нашій країні та за її межами зупинено будівництво нових мартенівських цехів та печей, а нові заводи по виробництву сталі створюються шляхом будівництва киснево-конверторних цехів з агрегатами великої одиничної садки та високої річної продуктивності. Для футеровки кисневих конверторів використовуються основні вогнетриви. Переробний чавун та залізний брухт так само, як і в мартенівському процесі, є головними складовими металевої шихти для киснево-конверторного процесу. В залежності від кількості потрібного залізного брухту, якості флюсуючих матеріалів, інтенсивності продувки, способу розливання та інших факторів проводиться вибір оптимального хімічного складу переробного чавуну.

При продувці чавуну киснем в конверторі утворюються дві зони: зона продувки, в якій окислюється більше заліза, і вдуваний кисень безпосередньо стикається з рідким металом; зона циркуляції, в якій відбувається окислення домішок за рахунок кисню, що потрапляє в метал в результаті розчинення в ньому окису заліза. Головним джерелом тепла киснево-конверторної плавки є тепло, що виділяється при окисленні вуглецю і кремнію: 40-45% хімічного тепла вноситься за рахунок окислення вуглецю та 25-30% - за рахунок окислення кремнію. В тепловому балансі першого періоду продувки (перші 5 хв.) основним джeрелoм тепла є тепло, що отримується від окислення кремнію (70-75%).

При підвищених витратах металевої шихти, коли внаслідок значного переохолодження ванни окислення вуглецю уповільнюється, роль кремнію як основного теплоносія ще збільшується. Тривалість продувки ванни в кисневих конверторах складає всього 12-18 хв., тому для успішного здійснення десульфурації і дефосфорації металу необхідно використовувати якісне вапно, що має високу реакційну властивість, тобто здатність швидко розчинятися в шлаку. В кисневих конверторах виробляється вуглецева та легована сталь. Механічні і технологічні властивості такої сталі за рядом показників вищі, ніж мартенівської сталі аналогічних марок.

Типовий вміст шкідливих домішок в бесемерівській, мартенівській та киснево-конверторній сталі показано в табл.1, з якої видно, що найменш чистою є бесемерівська стань: в ній на 1 мли. атомів заліза припадає більше 4000 атомів шкідливих домішок. З урахуванням наявності домішок кольорових металів сумарна забрудненість металу різних способів виробництва приблизно складає (ат. ррm): бесемерівська сталь -5000, мартенівська - 2000, киснево-конверторна -1900.

Таблиця 1. Типовий вміст домішок в сталі різних способів виробництва

Вміст домішок, вага, %	Спосіб виробництва
	Бесемерівська сталь	Мартенівська сталь	Киснево-конверторна сталь
S	0,04-0,05 (900)	0,025-0,035 (500)	0,02-0,03 (500)
P	0,06-0,08(1400)	0,025-0,035 (500)	0,02-0,03 (500)
O	0,01-0,03 (1000)	0,005-0,007 (350)	0,005-0,008 (350)
N	0,01-0,015 (500)	0,003-0,007 (200)	0,002-0,005 (100)
H	0,0003-0,0007 (250)	0,0002-0,0007 (200)	0,0001-0,0005 (150)
O+N+H	(1750)	(750)	(600)
Домішки, ат. Ppm	(4050)	(1750)	(1600)

Додаток: Для визначення ступеня забруднення сталі використовується характеристика «атомна ppm», що показує, скільки атомів даної речовини припадає на 1 млн. атомів заліза або заліза + леговані елементи. В дужках подано середнє значення величини.

Висновки

В результаті науково-дослідницької роботи отримані наступні висновки:

1. Сталь - це сплав заліза з вуглецем та ін. хімічними елементами з вмістом вуглецю до 2,14%. У цьому сплаві залізо є розчинником, а ін. елементи - домішками,розчиненими в залізі. Основна сировина для сталі є чавун , металобрухт , оксиди заліза.

2. Переплав брухту в мартенівських печах супроводжується підвищеними енергетичними витратами і високими обсягами викидів в навколишнє середовище. Крім того, експлуатація мартенівських печей погіршує екологічні показники виробництва сталі в цілому по всьому циклу. Переробка брухту в конвертерах обмежена вмістом в передільному чавуні окислюваних домішок. Збільшення частки брухту за рахунок підвищення вмісту в чавуні кремнію збільшує енерговитрати в цілому по всьому циклу, підвищує вихід шлаку і викиди пилу на всіх етапах переливів і переплавки чавуну. Таким чином, можна зробити висновок, що кращим агрегатом для переплавки брухту слід визнати електродугові печі нового покоління з магнітодинамічним перемішуванням сталеплавильної ванни, що дозволяє значно поліпшити її екологічні показники плавильного процесу. А застосування технології роботи ДСП на рідкому чавуні, дозволити значно скоротити витрату електроенергії.

3. Гідністю бесемерівського і томасівського процесів є: висока продуктивність, простота пристрою конвертера, відсутність необхідності застосовувати паливо, мала витрата вогнетривів та пов'язані з цим більш низькі, ніж при мартенівському і електросталеплавильному процесах, капітальні витрати і витрати по переділу. Проте обом процесам був притаманний великий недолік - підвищений вміст азоту в сталі, що викликається тим, що азот повітряного дуття розчиняється в металі. З цієї причини бесемерівського і томасівського сталі володіють підвищеною крихкістю і схильністю до старіння. У період з 1955 по 1975 р . бесемерівський і томасівський процеси та їх різновиди були витіснені киснево-конвертерного процесу з верхньої та нижньої подачею дуття. У порівнянні із мартенівським виробництвом конвертерне характеризується кращими умовами праці і меншим забрудненням навколишнього природного середовища.

4. Всі сучасні сталеплавильні цехи в більшій чи меншій мірі обладнані різними установками для рафінування сталі в ковші. До завдань відділень позапічної обробки сталі входять розкислення, легування, усереднення металу за складом і температурі, десульфурация, дегазація і модифікування. Розливання сталі є заключною стадією сталеплавильного виробництва. Від її правильного проведення залежить кінцева якість сталі.

5. В наш час мартенівський процес виробництва сталі витіснений більш ефективним киснево-конвертерним процесом (близько 63 % світового виробництва), а також електроплавкою (понад 30 %). Починаючи з 70-х років нові мартенівські печі в світі більше не будуються.

Загальний висновок: Сталь є сплавом заліза з вуглецем або з іншими елементами, причому відсоток вуглецю повинен варіюватися в межах 0,02-2,14. По хімічному складу сталь ділиться на вуглецеву сталь і леговану сталь. За якістю сталь ділять на 4 групи: сталь звичайної якості, якісну сталь, сталь підвищеної якості і високоякісну сталь. Сталь виробляють в конвертерах, мартенівських або електродугових печах: за наявності рідкого чавуну-у конвертерах чи мартенівських печах, при його відсутності - в мартенівських або електродугових печах.

При переділі чавуну і металобрухту в сталь вирішуються декілька основних завдань: плавлення і нагрівання шихти до температури, що забезпечує проведення наступних операцій (зазвичай 1600 .. 1650 ° C, рафінування сталі від шкідливих домішок (зазвичай до них відносять сірку, фосфор, водень і азот), легування і, нарешті, одержання з рідкої сталі сталевого зливка або безперервно литої заготовки. Нагрів до заданої температури і частково рафінування і легування виробляються в сталеплавильних агрегатах, остаточне рафінування і легування-в сталерозливних ковшах після випуску плавки з агрегату за допомогою спеціалізованих установок і розливання - у виливниці або на машинах безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).

Сталь є основним конструкційним матеріалом для машинобудування, промислового будівництва, транспортних засобів та ін. швидкий розвиток промисловості і сільського господарства був би неможливий без задоволення потреб у сучасній машинній техніці і металевих виробах. Внаслідок своєї розповсюдженості в природі та відносно малої вартості способів отримання заліза і його сплавів вони займають головне місце в народному господарстві.

Список літератури

1. Матеріалознавство і технологія металів / В. Т. Жадан, П. І. Полухін та ін - М.: Металургія, 1994. - 624 с.

2. Довідник металіста. У 5-ти т. Т.2 / За ред. А. Г. Рахштадта, В. А. Брострема. - М.: Машинобудування, 1976. - 720 с.

3. Енциклопедичний словник юного техніка / Укл. Б. В. Зубков, С. В. Чумаков. - М.: Педагогіка, 1987. - 464 с.

4. «Технологія металів і інших конструкційних матеріалів» В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов Видання друге.

5. «Загальна хімія» Н.Л. Глинка Видання двадцять третє.

6. «Металургія» А.П. Гуляєв 1966 рік.

7. http://interesnik.com/kak-izgotavlivayut-stal/

8. http://uk.wikipedia.org/wiki/Сталь

9.Клименко Л.П., Соловйов С.М., Норд Г.Л. Системи технологій.

10. Смирнов В. О., Білецький В. С. Фізичні та хімічні основи виробництва. -- Донецьк: Східний видавничий дім, 2005.

11. Довідник металіста. У 5-ти т. Т.2 / За ред. А.Г. Рахштадта, В. А. Брострема. - М., 1976. - С. 64.

12. Матеріалознавство і технологія металів / В.Т. Жадан, П. І. Полухін та ін - М., 1994. - С. 39.

Размещено на Allbest.ru

...