Технологія виготовлення металів

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Класифікація та маркування вуглецевих сталей

2. Виробництво сталі в конверторах

3. Виробництво сталі в мартенівських печах

4 Виробництво сталі в електричних печах

5. Нові методи виробництва й обробки сталі

Список використаної літератури



1. Класифікація та маркування вуглецевих сталей

Сталь - це сплав заліза з вуглецем, де вміст вуглецю складає від 0,025 до 2,14 відсотка. За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. До складу вуглецевих сталей входять залізо і вуглець. Окрім них, у вуглецевих сталях є марганець (не вище 0,8 відсотка) і кремній (не вище 0,4 відсотка), а також шкідливі домішки: сірка, фосфор і гази. До складу легованих сталей, крім того, входять легуючі елементи - хром, нікель, молібден, кобальт та інші. Входять також марганець, якщо його більше 0,8 процента, і кремній - вище 0,4 процента.

Класифікують вуглецеві сталі за різними ознаками. Наприклад, за призначенням їх поділяють на конструкційні, інструментальні та спеціального призначення. За якістю розрізняють сталі звичайної якості, якісні та високоякісні. Якість сталі залежить від вмісту в ній шкідливих домішок сірки та фосфору. Сталь звичайної якості містить до 0,06% сірки та до 0,07% фосфору. В якісних сталях їх вміст не перевищує 0,04%, а у високоякісних -- 0,03%. Вміст шкідливих домішок у сталі залежить від способу виробництва: найчистішою є сталь, виплавлена в електропечах.

За ступенем розкислення сталі поділяють на киплячі, спокійні та напівспокійні. Киплячі сталі розкислюють тільки марганцем (вихід придатної сталі 95... 100%). Перед розливанням у них є ще багато кисню у вигляді FeO, що при затвердінні частково взаємодіє з вуглецем і утворює газ CO, бульбашки якого при виході з рідкого металу нагадують "кипіння". Частина бульбашок CO залишається у злитку, вони після прокатування сплющуються, що надає сталі високої пластичності (вміст кремнію не перевищує 0,05%). Спокійну сталь розкислюють в печі і ковші кремнієм, марганцем та алюмінієм. Сталь кристалізується без виділення газів, в верхній частині злитка утворюється усадкова раковина, що зменшує вихід придатного матеріалу до 85...90%. Напівспокійну сталь отримують при розкисленні феромарганцем і частково феросиліцієм або алюмінієм. При цьому злиток не має концентрованої усадкової раковини, в нижній частині він має будову спокійної сталі, а у верхній -- киплячої. Вихід сталі становить 90...95%. За властивостями і вартістю ці сталі є проміжними між киплячими та спокійними. За структурою вуглецеві сталі поділяють на доевтектоїдні (< 0,8% С) зі структурою ферит і перліт, евтектоїдну (0,8%) з перлітною структурою і заевтектоїдні (> 0,8% С) зі структурою перліт і цементит вторинний.

За вмістом вуглецю конструкційні сталі бувають низько вуглецевими (до 0,3% С), середньо вуглецевими (0,3...0,5% С) і високо вуглецевими (0,5...0,65% С).

Сталі спеціального призначення отримують як внаслідок зміни хімічного складу, так і при застосуванні спеціальної технології виготовлення виробів. Це автоматні сталі, сталі для листового штампування та для виливків, а також нагартовані сталі.

Автоматні -- це сталі з підвищеною оброблюваністю різанням (для деталей, які виготовляються на верстатах-автоматах).Оброблюваність оцінюють кількома показниками, першим з яких слід назвати інтенсивність спрацьовування інструменту. Вона залежить від швидкості різання, допустимої при заданій стійкості {часу між пере заточуваннями) інструменту. Окрім цього, оброблюваність оцінюється шорсткістю обробленої поверхні, формою стружки та легкістю її відведення і прибирання з робочої зони верстата. Оброблюваність сталі різанням залежить від її механічних властивостей, мікроструктури, хімічного складу та теплопровідності. Важко обробляти як надто тверді, так і дуже пластичні сталі. У першому випадку збільшуються сила різання і температура нагрівання інструменту, що сприяє знеміцненню інструментального матеріалу. У другому -- суцільна неперервна стружка ковзає по передній поверхні різця і нагріває та інтенсивно стирає її. Крім цього, на передню поверхню різця періодично налипає шар здеформованого твердого, зрізаного з поверхні деталі металу (явище наросту). Зміна розмірів інструменту і налипання відокремлених наростів робить оброблену поверхню неточною і шорсткою, з задирками. Особливо тяжко обробляти сталь з аустенітною структурою, бо крім високої пластичності та в'язкості аустеніт має низьку теплопровідність. У цьому випадку значну частину тепла поглинає інструмент, що призводить до зменшення його твердості.

Підвищити оброблюваність можна технологічними та металургійними заходами. До технологічних належать термічна обробка середньо вуглецевих сталей і холодна пластична деформація низько вуглецевих з метою незначного збільшення твер­дості. Ефективнішими є металургійні заходи, що полягають у створенні в сталі таких структурних складових, які знеміцнюються або плавляться при нагріванні, а також стають крихкими від взаємодії з певними хімічними елементами. Чисто вуглецеві автоматні сталі містять до 0,3% сірки і до 0,15% фосфору. Щоб запобігти червоноламкості, в них збільшують до 0,70... 1,55% вміст марганцю. Утворювані сульфіди, виконуючи роль "внутрішнього мастила", сприяють відокремленню стружки та її ламанню. Ці сталі мають анізотропію механічних властивостей -- знижені в'язкість, пластичність і особливо втомну міцність у напрямку, перпендикулярному до осі прокатного виробу. Низька корозійна стійкість таких сталей обмежує їх застосування лише для мало відповідальних деталей (кріпильні вироби, вироби з підвищеними вимогами до точності і шорсткості поверхні).

Чимало деталей машин і будівельних конструкцій (кузови та крила автомобілів, кришки та ковпаки, покрівлі тощо) виготовляють з листового матеріалу. Порожнисті вироби, як правило, виготовляють витягуванням у холодному стані -- листовим штампуванням. Придатність сталі до витягування залежить, в першу чергу, від вмісту вуглецю. Для глибокого витягування він не повинен перевищувати 0,1%, для згинання і незначного витягування -- 0,2...0,3%, а при вмісті вуглецю 0,35...0,45% листи можна згинати лише з великим радіусом. Структура цих сталей повинна складатись з фериту і незначної кількості перліту. Строго контролюється також наявність і створюються умови для відсутності вкраплень третинного цементиту, вміст марганцю обмежується до 0,25...0,50%, кремнію -- до 0,03%, сірки -- до 0,03%, а фосфору -- до 0,02%. Сталі для виливків (деталей, виготовлених заливанням рідкого сплаву у форму) відрізняються від аналогічних конструкційних для обробки тиском і різанням тим, що у них хімічний склад перебуває в широких межах і регламентується спеціальними стандартами.

Нагартована сталь характеризується порівняно зі звичайною підвищеною міцністю. Такого зміцнення сталь набуває після холодної пластичної деформації в процесі виготовлення при прокатуванні, волочінні та пресуванні. Це такі вироби, як дріт, тонкий лист, стрічка, труби і т.п. Властивості нагартованої сталі пропорційні ступеню обтискання. При фактично максимальному ступені обтискання (96...97%) сталі з вмістом вуглецю 1,2% її межа міцності сягає 4000 МПа. Нагартований дріт тонких перерізів після різних ступенів обтискання використо­вується для канатів і тросів. Для цієї цілі використовують сталь, що містить 0,6...0,8% вуглецю і після обтискання зі ступенем 80...90% набуває міцності 1800...3000 МПа. Найкращою для нагартовування вихідною структурою є дрібно пластинчастий перліт, який отримують після спеціальної термічної обробки.

Маркування вуглецевих сталей регламентується відповідними державними або галузевими стандартами та технічними умовами. В марках сталей відображаються якість, спосіб розкислення, хімічний склад та особливі технологічні властивості і призначення.

За державним стандартом України ДСТУ 2651-94 сталь звичайної якості маркується літерами "Ст", цифрами від 0 до 6 після літер "Ст", що показує умовний номер марки залежно від хімічного складу і міцності, та літерами "кп", "пс" і "сп", які вказують на ступінь розкислення сталі (кипляча, напівспокійна і спокійна), наприклад, Ст1кп, Ст5пс, Ст6сп. їх використовують для виготовлення мало відповідальних деталей машин і конструкцій, що працюють при статичних навантаженнях, а починаючи зі Ст4 -- і для важчих умов експлуатації. Чим більше число, тим вищі твердість і міцність, але менша пластичність.

Сталі звичайної якості постачають за трьома групами:

- група А постачається за механічними властивостями;

- група Б постачається з гарантованим хімічним складом;

- група В - з гарантованими хімічним складом і механічними властивостями.

Із сталей групи А виготовляють деталі, конструкції без нагрівання; із сталей групи Б - деталі, що підлягають термічній обробці. Сталі групи В використовують у зварювальних конструкціях.

Зі сталей звичайної якості виготовляють гарячекатаний рядовий прокат: балки, швелери, кутки, прутки, а також листи, труби й кування. Сталі в стані поставки широко застосовують у будівництві для зварних, клепаних і болтових конструкцій, рідше для виготовлення мало навантажених деталей машин (вали, осі, зубчасті колеса й т.д.).

Киплячі сталі (Ст1кп, Ст2кп, СтЗкп), що містять підвищену кількість кисню, мають поріг хладноламкості на 30-- 40 °С вище, ніж сталі спокійні (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп і ін.). Тому для відповідальних зварних конструкцій, а також працюючих при низьких кліматичних температурах застосовують спокійні сталі (Ст1cп, Ст2сп, Ст3сп).

З підвищенням змісту в сталі вуглецю зварюваність погіршується. Тому сталі Ст5 і Ст6 із більш високим змістом вуглецю застосовують для елементів будівельних конструкцій, що не підлягають зварюванню.

Сталі, призначені для зварених конструкцій, повинні мати малу чутливість до термічного старіння, а сталі, що піддають холодному виправленню й згинанню, - малою схильністю до деформаційного старіння.

Сталі звичайної якості нерідко мають спеціалізоване призначення (мосто- і суднобудування, сільськогосподарське машинобудування й т.д.) і надходять по особливих технічних умовах.

Порівняємо сталі звичайної якості українських марок з аналогічними іноземними, в яких записують латинські літери "Fe", трицифрове число, що показує межу міцності в МПа, та літери О, А, В, С, D через дефіс, які характеризують категорію якості за вмістом сірки і фосфору (найчистіша позначається літерою D): СтО -- Fe310-O, СтЗкп -- Fe360-A, СтЗпс -- Fe360-B, СтЗсп -- Fe360-C, Ст4кп -- Fe430-A, Ст4пс -- Fe430-B, Ст4сп -- Fe430-C, Ст5пс -- Fe510-B, Ст5сп -- Fe510-C, Ст6 -- Fe590.

У марках якісних конструкційних сталей за ГОСТ 1050 -- 74 записують двоцифрові числа від 05 до 65, які показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. У марках низько вуглецевих сталей можуть дописуватись літери "кп" для підкреслення ступеня розкислення. їх використовують частіше для деталей, які виготовляються листовим штампуванням.

Низьковуглецевісталі(зміст вуглецю <0,25 %) 05кп, 08, 10, 10кп мають невисоку міцність і високу пластичність. Ці сталі без термічної обробки застосовують для мало навантажених деталей. Тонколистову холоднокатану низько вуглецеву сталь використовують для холодного штампування виробів. сталь виробництво маркування променевий

Сталі 15, 15кп, 20, 25 частіше застосовують без термічної обробки або в нормалізованому стані.

Низьковуглецеві якісні сталі використовують і для відповідальних зварних конструкцій, а також для деталей машин, що зміцняються цементацією. Середньо вуглецеві сталі(0,3 - 0,5% С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 застосовують після нормалізації, поліпшення й поверхневого загартування для найрізноманітніших деталей у всіх галузях машинобудування. Середньовуглецеві сталі йдуть на виготовлення валів, осей, зірочок, зубчастих коліс. Ці сталі в нормалізованому стані в порівнянні з низько вуглецевими мають більш високу міцність при більш низькій пластичності. Сталі у відпаленому стані добре обробляються різанням. Найбільше легко обробляються доевтектоїдні стали зі структурою пластинчастого перліту. Прогартовуваність сталей невелика; критичний діаметр після загартування у воді не перевищує 10--12 мм (95 % мартенситу). У зв'язку із цим їх варто застосовувати для виготовлення невеликих деталей або більших, але не потребуючих наскрізний прогартовуваністі. Для підвищення прогартовуваністі стали додатково легують марганцем (40Г, 50Г).

Сталі з високим змістом вуглецю(0,6--0,85 % С) 60, 65, 70, 80 і 85 мають підвищену міцність, зносостійкість й пружні властивості; застосовують їх після загартування й відпуску, нормалізації й відпуску й поверхневого загартування для деталей, що працюють в умовах тертя при наявності високих статичних вібраційних навантажень. Із цих сталей виготовляють пружини й ресори, шпинделі, замкові шайби, прокатні валки й т.д.

Високу якість (чистоту) сталі позначають літерою "А" після двоцифрового числа. В сталях звичайної якості може бути підвищений вміст марганцю, тоді в марці після цифри записують літеру "Г", наприклад СтЗГсп. У марках якісних сталей для виливків після двоцифрового числа пишуть літеру "Л", наприклад, 25Л, 45Л. За ГОСТ 5520 -- 79 у марках якісних сталей для виготовлення котлів, які працюють під тиском, після двоцифрового числа пишуть літеру "К", наприклад, 12К, 22К.

У марці конструкційної якісної сталі підвищеної оброблюваності за ГОСТ 1414 -- 75 перед цифрами пишуть літеру "А", наприклад, А12, А20.

Стан сталі (термічно оброблена -- Т, нагартована -- Н) записують в умовному позначенні прокату.

Сталь нелегована інструментальна за ГОСТ 1435--74 маркується літерою "У" та числом, яке показує вміст вуглецю в десятих частках відсотка, наприклад, У7, У8, У13. У випадку зменшеного до 0,03% вмісту сірки та фосфору після цифр записують літеру "А" (У7А, У10А). Виготовляють з цих сталей інструмент, який у процесі роботи нагрівається посильмо, наприклад, зубила, долота, молотки, плоскогубці, сокири, калібри, напилки, шабери, вимірювальний інструмент тощо.

Сталі для армування залізобетонних конструкцій називають арматурними. їх виготовляють у вигляді прутків (гладких і періодичного профілю) у нормальному гарячекатаному та термічно зміцненому станах.

Арматурні сталі виготовляють як зі сталей звичайної якості, так і з низьколегованих та спеціальних сталей.

Класифікація та маркування легованих сталей.

Леговані сталі класифікують за структурою у рівноважному й нормалізованому станах, за хімічним складом та за призначенням.

За структурою у рівноважному стані леговані сталі поділяють на класи: феритний, перлітний, аустенітний і ледебуритний. Утворення домінуючих структурних складових зумовлюється, в першу чергу, вмістом вуглецю і легуючих елементів, а також їх співвідношенням, від чого залежатиме характер алотропічних перетворень та карбідоутворення. Наявність ледебуриту в сталі утруднює кування виливків, а він сам при цьому поділяється на відокремлені карбіди та аустеніт.

За структурою у нормалізованому (при охолодженні на повітрі) стані розрізняють три класи легованих сталей: перлітний, аустенітний і мартенситний. Сталі перлітного класу можуть мати в структурі перліт, сорбіт або троостит (більш дисперсні, ніж перліт), сумарний вміст легуючих елементів у них не перевищує 5%. У сталях мартенситного класу вміст легуючих елементів становить 5... 10%, а в аустенітних -- більше 10%.

Залежно від призначення леговані сталі можна об'єднати в такі групи: конструкційні (машинобудівельні та будівельні), інструментальні та сталі з особливими властивостями.

Конструкційні машинобудівельні сталі підрозділяють за видом термічної обробки і призначенням на сталі для цементації, поліпшувальні, ресорно-пружинні та підшипникові. Будівельні сталі при виготовленні з них виробів термічній обробці не піддаються, за сумарним вмістом легуючих елементів їх часто називають низьколегованими.

Інструментальні сталі за призначенням поділяють на леговані, штампові та швидкорізальні. До сталей з особливими властивостями належать нержавіючі, жароміцні, жаростійкі, зносостійкі, з особливими електричними властивостями тощо.

Для позначення марок легованих сталей стандартами розроблена система, яка передбачає цифрово-літерний запис марки. Кожний легуючий елемент позначається початковою літерою його назви., хром - Х, нікель - Н, вольфрам - В, , титан - Т, молібден - М, кобальт - К, цирконій - Ц, А -- азот. Деякі елементи позначають іншими літерами: Г -- марганець; Д -- мідь; Р -- бор; Б -- ніобій; С -- кремній; П -- фосфор; Ф -- ванадій; Ю -- алюміній, Ч -- рідкоземельні метали. В марці записують числами на початку вміст вуглецю, великими літерами і числами за ними -- вміст легуючих елементів. Вміст вуглецю в конструкційних сталях записують дво- або трицифровим числом, яке виражає соті частки відсотка. В інструментальних сталях вміст вуглецю записують одноцифровим числом, що виражає десяті частки відсотка. В інструментальних сталях, які містять один і більше відсотків вуглецю, цифри на початку марки не пишуть. Вміст легуючих елементів завжди записують у відсотках, а при вмісті його менше 1,5 % цифра після літери частіше не пишеться. Якщо вміст в сталі сірки та фосфору менший 0,03%, наприкінці марки записують велику літеру А. Цифри та літери у записі марки сталі повинні мати однакову висоту.

Букву А використовують у трьох випадках:

- якщо вона стоїть у кінці марки - сталь високоякісна,

- якщо на початку - сталь автоматна; наприклад, А12,

- якщо посередині маркування - це азот (25ХГНМАЮ).

Усі леговані інструментальні сталі, а також сплави з особливими властивостями - високоякісні, тому в їх маркуванні букву А опускають (не пишуть), наприклад: 6Х4Н2М.

Інструментальні сталі призначені для виготовлення різального, штампового та вимірювального інструменту. Ці сталі повинні мати високу твердість, стійкість проти спрацювання, в ряді випадків - високу теплостійкість. Їх легують, головним чином, карбідоутворювальними елементами - хромом, вольфрамом, ванадієм, марганцем.

Звичайні інструментальні сталі мають теплостійкість до 3000С, що забезпечує швидкість різання в межах 15…25 м/хв. Швидкорізальні сталі легують вольфрамом, хромом, ванадієм, кобальтом, що зберігає їх твердість до 6000С і дозволяє збільшити швидкість різання в 3...4 рази. Їх маркування Р9, Р9К5, Р12, Р18 і т.д.; цифра після букви Р показує вміст вольфраму в цілих процентах.

Шарикопідшипникові сталі маркуються ШХ15, ШХ6, де хром указується в десятих частках процента, тобто 1,5%, 0,6%.

У сучасній металургійній промисловості сталь виплавляють в основному в трьох агрегатах: конвекторах, мартенівських і електричних печах.

2. Виробництво сталі в конверторах

Конвертор являє собою судину грушоподібної форми. Верхню частину називають чи козирком шоломом. Вона має горловину, через яку рідкий чавун і зливають сталь і шлак. Середня частина має циліндричну форму. У нижній частині є приставне днище, що у міру зносу заміняють новим. До днища приєднана повітряна коробка, у яку надходить стиснене повітря.

Ємність сучасних конвекторів дорівнює 60 &ndash; 100 т. і більш, а тиск повітряного дуття 0,3-1,35 Мн/м. Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів.

Перед заливанням чавуна конвектор повертають до горизонтального положення, при якому отвору фурм виявляються вище рівня залитого чавуна. Потім його повільно повертають у вертикальне положення й одночасно подають дуття, що не дозволяє металу проникати через отвори фурм у повітряну коробку. У процесі продувки повітрям рідкого чавуна вигорають кремній, марганець, вуглець і частково залізо.

При досягненні необхідної концентрації вуглецю конвектор повертають у горизонтальне положення і припиняють подачу повітря. Готовий метал розкислють і виливають у ківш.

Бесемерівський процес. У конвертор заливають рідкий чавун з досить високим змістом кремнію (до 2,25% і вище), марганцю (0,6-0,9%), і мінімальною кількістю сірки і фосфору.

По характері реакції, що відбувається, бесемерівський процес можна розбити на три періоди. Перший період починається після пуску дуття в конвертор і продовжується 3-6 хв. З горловини конвертора разом з газами вилітають дрібні краплі рідкого чавуна з утворенням іскор. У цей період окисляються кремній, марганець і частково заліза по реакціях:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

Закис заліза, що утвориться, частково розчиняється в рідкому металі, сприяючи подальшому окислюванню кремнію і марганцю. Ці реакції протікають з виділенням великої кількості тепла, що викликає розігрів металу. Шлак виходить кислим (40-50% Si2).

Другий період починається після майже повного вигоряння кремнію і марганцю. Рідкий метал досить добре розігрітий, що створюються сприятливі умови для окислювання вуглецю по реакції C + Fe = Fe + CO, що протікає з поглинанням тепла. Горіння вуглецю продовжується 8-10 хв і супроводжується деяким зниженням температури рідкого металу. Окис вуглецю, що утвориться, згоряє на повітрі. Над горловиною конвектора з'являється яскраве полум'я.

В міру зниження змісту вуглецю в металі полум'я над горловиною зменшується і починається третій період. Він відрізняється від попередніх періодів появою над горловиною конвертора бурого диму. Це показує, що з чавуна майже цілком вигоріли кремній, марганець і вуглець і почалося дуже сильне окислювання заліза. Третій період продовжується не більш 2 &ndash; 3 хв, після чого конвектор перевертають у горизонтальне положення й у ванну вводять розкислювачі (феромарганець, ферросиліцій чи алюміній) для зниження змісту кисню в металі. У металі відбуваються реакції

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO2 + Fe,

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

Готову сталь виливають з конвектора в ківш, а потім направляють на розливання.

Щоб одержати сталь із заздалегідь заданою кількістю вуглецю (наприклад, 0,4 &ndash; 0,7% З), продувку металу припиняють у той момент, коли з нього вуглець ще не вигорів, чи можна допустити повне вигоряння вуглецю, а потім додати визначена кількість чи чавуна утримуючих вуглець визначена кількість феросплавів.

Томасівський процес. У конвертор з основний футеровкой спочатку завантажують свежеобожженную вапно, а потім заливають чавун, що містить 1,6-2,0% Р, до 0,6%Si і до 0,8% S. У томасівському конвекторі утвориться вапняний шлак, необхідний для витягу і зв'язування фосфору. Заповнення конвектора рідким чавуном, підйом конвертора, і пуск дуття відбуваються також як і в бесемерівському процесі. У перший період продувки в конвекторі окисляється залізо, кремній, марганець і формується вапняний шлак. У цей період температура металу трохи підвищується. В другий період продувки вигорає вуглець, що супроводжується деяким зниженням температури металу. Коли зміст вуглецю в металі досягне менш 0,1%, полум'я зменшиться і зникне. Настає третій період, вчасно якого інтенсивно окисляється фосфор



2P + 5Fe + 4Ca = (Ca)4*P2O5 + 5Fe.

У результаті окислювання фосфор переходить з металу в шлак, оскільки тетрафосфат кальцію може розчинитися тільки в ньому. Томасівські шлаки містять 16 &ndash; 24% Р2ПРО5.

Дана реакція супроводжується виділенням значної кількості тепла, за рахунок якого відбувається більш різке підвищення температури металу.

Перед розкисленням металу з конвертора необхідно видалити шлак, тому що містяться в раскислителях вуглець, кремній, марганець будуть відновлювати фосфор зі шлаку, і переводити його в метал. Томасівську сталь застосовують для виготовлення дахового заліза, дроту і сортового прокату.

Киснево-конверторний процес. Для інтенсифікації бесемерівського і томасівського процесів в останні роки почали застосовувати збагачене киснем дуття. При бесемерівському процесі збагачення дуття киснем дозволяє скоротити тривалість продувки і збільшити продуктивність конвертора і частку сталевого скрапу, подаваного в металеву ванну в процесі плавки. Головним достоїнством кисневого дуття є зниження змісту азоту в сталі з 0,012-0,025(при повітряному дутті) до 0,008-0,004%(при кисневому дутті). Уведення до складу дуття суміші кисню з водяною чи парою вуглекислим газом дозволяє підвищити якість бесемерівської сталі, до якості сталі, виплавлюваної в мартенівських і електричних печах. Великий інтерес представляє використання чистого кисню для виплавки чавуна в глуходонних конверторах зверху за допомогою водоохлаждаемих фурм. Виробництво сталі киснево-конверторним способом з кожним роком збільшується.

3. Виробництво сталі в мартенівських печах

У мартенівських печах спалюють чи мазут попередньо підігріті гази з використанням гарячого дуття.

Пекти має робоче (плавильне) простір і дві пари регенераторів(повітряний і газовий) для підігріву повітря і газу. Гази і повітря проходять через нагріту до 1200( З вогнетривку насадку відповідних регенераторів і нагріваються до 1000-1200( С. Потім по вертикальних каналах направляються в голівку печі, де змішуються і згоряють, у результаті чого температура під зводом досягає 1680-1750( С. Продукти горіння направляються з робочого простору печі в ліву пару регенераторів і нагрівають їхню вогнетривку насадку, потім надходять у казани-утилізатори і димар. Коли вогнетривка насадка правої пари регенераторів остигне, остигне так що не зможе нагрівати минаючі через них гази і повітря до 1100( З, ліва пара регенераторів нагрівається приблизно до 1200-1300( С. У цей момент переключають напрямок руху газів і повітря. Це забезпечує безупинне надходження в піч підігрітих газів і повітря.

Більшість мартенівських печей опалюють сумішшю доменного, коксувального і генераторного газів. Також застосовують і природний газ. Мартенівська піч, що працює на мазуті, має генератори тільки для нагрівання повітря.

Шихтові матеріали (скрапи, чавун, флюси) завантажують у піч наповненою машиною через завалочні вікна. Розігрів шихти, рас плавлення металу і шлаку в печі відбувається в плавильному просторі при контакті матеріалів зі смолоскипом розпечених газів. Готовий метал випускають з печі через отвори, розташовані в найнижчої частини подини. На час плавки випускний отвір забивають вогнетривкою глиною.

Процес плавки в мартенівських печах може бути кислим чи основної. При кислому процесі вогнетривка кладка печі виконана з динасів ого цегли. Верхні частини подини наварюють кварцовим піском і ремонтують після кожної плавки. У процесі плавці одержують кислий шлак з великим змістом кремнезему (42-58%).

При основному процесі плавки подину і стінки печі викладають з магнезитової цегли, а звід &ndash; з динасів ого чи хромомагнезитової цегли. Верхні шари подини наварюють магнезитовим чи доломітовим порошком і ремонтують після кожної плавки. У процесі плавки одержують кислий шлак з великим змістом 54 &ndash; 56% СаО.

Основний мартенівський процес. Перед початком плавки визначають кількість вихідних матеріалів (чушковий чавун, сталевий скрап, вапняк, залізна руда) і послідовність їхнього завантаження в піч. За допомогою заливальної машини мульда (спеціальна коробка) із шахтою вводиться в плавильний простір печі і перевертається, у результаті чого шихта висипається на подину печі. Спочатку завантажують дрібний скрап, потім більш великий і на нього кускове вапно (3 &ndash; 5 % маси металу). Після прогріву завантажених матеріалів подають сталевий брухт, що залишився, і граничний чавун двома трьома порціями.

Цей порядок завантаження матеріалів дозволяє їх швидко прогріти і розплавити. Тривалість завантаження шихти залежить від ємності печі, характеру шихти, теплової потужності печі і складає 1,5 &ndash; 3 ч.

У період завантаження і плавлення шихти відбувається часткова окислювання заліза і фосфору майже повне окислювання кремнію і марганцю й утворення первинного шлаку. Зазначені елементи окисляються спочатку за рахунок кисню грубних газів і руди, а потім за рахунок закису заліза розчиненої в шлаку. Первинний шлак формується при розплавлюванні й окислюванні металу і містить 10 &ndash;15% Fe, 35 &ndash;45% Ca, 13 &ndash; 17% Mn. Після утворення шлаку рідкий метал виявляється ізольованим від прямого контакту з газами, і окислювання домішок відбувається під шаром шлаку. Кисень у цих умовах переноситься закисом заліза, що розчиняється в металі і шлаку. Збільшення концентрації закису заліза в шлаку приводить до зростання її концентрації в металі.

Для більш інтенсивного харчування металевої ванни киснем у шлак уводять залізну руду. Кисень, розчинений у металі, окисляє кремній, марганець, фосфор і вуглець по реакціях, розглянутим вище.

До моменту рас плавлення всієї шихти значна частина фосфору переходить у шлак, тому що останній містить достатня кількість закису заліза і сповісти. Щоб уникнути зворотного переходу фосфору в метал перед початком кипіння ванни 40 &ndash; 50% первинного шлаку з печі.

Після скачивания первинного шлаку в піч завантажують вапно для утворення нового і більш основного шлаку. Теплове навантаження печі збільшується, для того щоб тугоплавке вапно швидше перейшло в шлак, а температура металевої ванни підвищилися. Через якийсь час 15 &ndash; 20 хв у піч завантажують залізну руду, що збільшує зміст окислів заліза в шлаку, і викликає в металі реакцію окислювання вуглецю

[C] + (Fe) = Coгаз.

Утвориться окис вуглецю виділяється з металу у виді пухирців, створюючи враження його кипіння, що сприяє перемішуванню металу, виділення металевих включень і розчинених газів, а також рівномірному розподілу температури по глибині ванни. Для гарного кипіння ванни необхідно підводити тепло, тому що дана реакція супроводжується поглинанням тепла. Тривалість періоду кипіння ванни залежить від ємності печі і марки сталі, і знаходиться 1,25 &ndash; 2,5 ч і більш.

Звичайно залізну руду додають у піч у першу періоду кипіння, називаного поліруванням металу. Швидкість окислювання вуглецю в цей період у сучасних мартенівських печах великої ємності дорівнює 0,3 &ndash; 0,4% у годину.

Протягом другої половини періоду кипіння залізну руду у ванну не подають. Метал кипить дрібними пухирцями за рахунок накопичених у шлаку окислів заліза. Швидкість вигоряння вуглецю в цей період дорівнює 0,15 &ndash; 0,25% у годину. У період кипіння, стежачи за основностью і жидкотекучестью шлаку.

Коли зміст вуглецю в металі виявиться трохи нижче, ніж потрібно для готової сталі, починається остання стадія плавкі &ndash; період доведення і розкислення металу. У піч уводять визначена кількість кускового феромарганцю (12% Mn), а потім через 10 &ndash; 15 хв ферросилиций (12-16% Si). Марганець і кремній взаємодіють з розчиненим у металі киснем, у результаті чого реакція окислювання вуглецю припиняється. Зовнішньою ознакою звільнення металу від кисню є припинення виділення пухирців окису вуглецю на поверхні шлаку.

При основному процесі плавки відбувається часткове видалення сірки з металу по реакції

[Fe] + (Ca) = (Ca) + (Fe).

Для цього необхідні висока температура і достатня основность шлаку.

Кислий мартенівський процес. Цей процес складається з тих же періодів, що й основний. Шихту застосовують дуже чисту по фосфорі і сірці. Порозумівається це тим, що кислий шлак, що утвориться, не може затримувати зазначені шкідливі домішки.

Печі звичайно працюють на твердій шихті. Кількість скрапу дорівнює 30 &ndash; 50% маси металевої шихти. У шихті допускається не більш 0,5% Si. Залізну руду в піч подавати не можна, тому що вона може взаємодіяти з кремнеземом подини і руйнувати її в результаті утворення легкоплавкого з'єднання 2Fe*Si2. Для одержання первинного шлаку в піч завантажують деяка кількість чи кварциту мартенівського шлаку. Після цього шихта нагрівається грубними газами; залізо, кремній, марганець окисляються, їхні окисли сплавляються з флюсами й утворять кислий шлак, що містить до 40 &ndash;50 % Si2. У цьому шлаку велика частина закису заліза знаходиться в силікатній формі, що утрудняє його перехід зі шлаку в метал. Кипіння ванною при кислому процесі починається пізніше, ніж при основному, і відбувається повільніше навіть при гарному нагріванні металу. Крім того, кислі шлаки мають підвищену в'язкість, що негативно позначається на вигорянні вуглецю.

Тому що сталь виплавляється під шаром кислого шлаку з низьким змістом вільного закису заліза, цей шлак захищає метал від насичення киснем. Перед випуском з печі в сталі міститься менше розчиненого кисню, чим у сталі, виплавленої при основному процесі.

Для інтенсифікації мартенівського процесу повітря збагачують киснем, що подається в смолоскип полум'я. Це дозволяє одержувати більш високі температури в смолоскипі полум'я, збільшувати її випромінювальну здатність, зменшувати кількість продуктів горіння і завдяки цьому збільшувати теплову потужність печі.

Кисень можна вводити й у ванну печі. Уведення кисню в смолоскип і у ванну печі скорочує періоди плавки і збільшує продуктивність печі на 25-30%. Виготовлення хромомагнезитових зводів замість динасових дозволяє збільшувати теплову потужність печей, збільшити міжремонтний період у 2-3 рази і підвищити продуктивність на 6-10%.

4. Виробництво сталі в електричних печах

Для виплавки сталі використовують електричні печі двох типів: дугові й індукційні (високочастотні). Перші з них одержали більш широке застосування в металургійній промисловості.

Дугові печі мають ємність 3 - 80 т і більш. На металургійних заводах установлюють печі ємністю 30 &ndash;80 тонн. В електричних печах можна одержувати дуже високі температури (до 2000( З), розплавляти метал з високою концентрацією тугоплавких компонентів мати, мати основний шлак, добре очищати метал від шкідливих домішок, створювати відбудовну чи атмосферу вакуум (індукційні печі) і досягати високого розкислення і дегазації металу.

Нагрівання і розплавлювання шихти здійснюється за рахунок тепла, випромінюваного трьома електричними дугами. Електричні дуги утворяться в плавильному просторі печі між вертикально підвішеними електродами і металевою шихтою.

Дугова піч має наступні основні частини: зварений чи клепаний кожух циліндричної форми, зі сфероидальним днищем; подини і стінок; знімне аркове склепіння з отворами для електродів; механізм для закріплення вертикального переміщення електродів; дві опорні станини; механізм нахилу печі, що дозволяє повертати пекти при випуску сталі по жолобі й убік завантажувального вікна для скачування шлаку.

У сталеплавильних печах застосовують вугільний і графітування електроди. Діаметр електродів визначається потужністю споживаного струму і складає 350 &ndash; 550 мм. У процесі плавки нижні кінці електродів згоряють. Тому електроди поступово опускають і в необхідних випадках нарощують зверху.

Технологія виплавки сталі в дугових печах. В електричних дугових печах високоякісну вуглеводневу чи леговану сталь. Звичайно для виплавки сталі, застосовують шихту у твердому стані. Тверду шихту в дугових печах з основний футеровкою використовують при плавці сталі з окислюванням шихти і при переплавлянні металу без окислювання шихти.

Технологія плавки з окислюванням шихти в основній дуговій печі подібнаі технології плавки сталі в основних мартенівських печах (скрапам-процесам). Після заправлення падини в піч завантажують шихту. Середній зміст вуглецю в шихті на 0,5 &ndash;0,6% вище, ніж у готовій сталі. Вуглець вигорає і забезпечує гарне кипіння ванни. На подину печі завантажують дрібний сталевий брухт, потім більш великий. Укладати шихту в печі треба щільно. Особливо важливо добре укласти шматки шихти в місці перебування електродів. Шихту в дугові печі малої і середньої ємності завантажують чи мульдами лотками через завалочне вікно, а в печі великої ємності через звід, що відводять убік разом з електродами. Після завантаження шихти електроди опускають до легкого зіткнення із шихтою. Підклавши під нижні кінці електродів шматочки коксу, включають струм, і починають плавку сталі.

При плавки сталі в дугових печах розрізняють окисний і відбудовний періоди.

Під час окисного періоду розплавляється шихта, окисляється кремній, марганець, фосфор, надлишковий вуглець, частково залізо й інші елементи, наприклад кульгавий, титан, і утвориться первинний шлак. Реакція окислювання такі ж, як і при основному мартенівському процесі. Фосфор з металу віддаляється протягом першої половини окисного періоду, поки метал у ванні сильно не розігрівся. Утворений при цьому первинний фосфористий шлак у кількості 60 &ndash; 70% видаляють з печі.

Для одержання нового шлаку в основну дугову піч подають обпалене вапно й інші необхідні матеріали. Після видалення фосфору і скачування первинного шлаку метал добре прогрівається і починається горіння вуглецю. Для інтенсивного кипіння ванни в піч закидають необхідна кількість залізної чи руди окалини і шлакоутворюючих речовин.

Під час кипіння ванни протягом 45-60 хв надлишковий вуглець згоряє, розчинені гази і неметалічні включення віддаляються. При цьому відбирають проби металу для швидкого визначення в ньому змісту вуглецю і марганцю і проби шлаку для визначення його складу. Основність шлаку підтримується рівної 2-2,5, що необхідно для затримки в ньому фосфору.

Після видалення вуглецю скачивают весь шлак. Якщо в металі в період окислювання вуглецю міститься менше, ніж потрібно по хімічному аналізі, то в піч уводять шматки графітових чи електродів кокс.

У відбудовний період плавки розкислюють метал, переводять максимально можлива кількість сірки в шлак, доводять хімічний склад металу до заданого і підготовляють його до випуску з печі.

Відбудовний період плавки в основних дугових печах при виплавці сталей з низьким змістом вуглецю проводиться під білим (вапняним) шаром шлаком, а при виплавці високовуглеводних сталей &ndash; під карбідним шлаком.

Для одержання білого шлаку в піч завантажують жужільну суміш, що складається з вапна і плавикового шпату. Через якийсь час на поверхні утвориться шар шлаку з досить високою концентрацією Fe і Mn. Проби шлаку мають темний колір.

Перед розкисленням металу в піч двома-трьома порціями закидають другу жужільну суміш, що складається з кускового вапна, плапікового шпату, меленого деревного вугілля і коксу. Через якийсь час зміст Feo і Mn знижується. Проби шлаку стають світліше, закис заліза з металу починає переходити в шлак. Для посилення розкислюючої дії до кінця відбудовного періоду в піч закидають порошок ферросиліція, під впливом якого зміст Fe у шлаку знижується. У білому шлаку міститься до 50 &ndash; 60% Сао, а на поверхні його плаває деревне вугілля, що дозволяє ефективно видаляти сірку з металу.

Під час відбудовного періоду плавки в метал уводять необхідні добавки, у тому числі і легуючі. Остаточно метал раскислюють у печі алюмінієм.

Виплавка сталі під карбідним шлаком на першій стадії відбудовного процесу відбувається так само, як і під білим шлаком. Потім на поверхню шлаку завантажують карбідоутворюючу суміш, що складається з коксу, сповісти і плавикого шпату. При високих температурах протікає реакція

Ca + 3C = Ca2 + CO.

Карбід кальцію, що утвориться, збільшує розкислюючу й обезсірковуючу здатність карбідного шлаку. Для прискорення утворення карбідного шлаку пекти добре герметизують. Карбідний шлак містить 55 &ndash;65% Сао і 0,3 &ndash; 0,5% Fe; він володіє здатністю насичуватися вуглецем.

При виплавці сталі методом переплаву, у піч не завантажують залізну руду; умови для кипіння ванни відсутні. Шихта складається з легованих відходів з низьким змістом фосфору, оскільки його не можна буде видалити в шлак. Для зниження змісту вуглецю в шихту додають 10 &ndash; 15% м'якого заліза. Первинний шлак, що утвориться при розплавлюванні шихти, з печі не видаляють. Це зберігає легуючі елементи (Cr, Ti, V), що переходять зі шлаку в метал.

Пристрій і робота індукційних печей. Індукційні печі відрізняються від дугових способом підведення енергії до розплавленого металу. Індукційна піч приблизно працює так само як звичайний трансформатор: мається первинна котушка, навколо якої при пропущенні перемінного струму створюється перемінне магнітне поле. Магнітний потік наводить у вторинній печі перемінний струм, під впливом якого нагрівається і розплавляється метал. Індукційні печі мають ємність від 50 кг до 100 т і більш.

У немагнітному каркасі існують індуктор і вогнетривкий плавильний двигун. Індуктор печі виконаний у виді котушки з визначеним числом витків мідної трубки, усередині якої циркулює охолодна вода. Метал завантажують у тигель, що є вторинною обмоткою. Перемінний струм виробляється в машинних чи лампових генераторах. Підведення струму від генератора до індуктора здійснюється за допомогою гнучкого чи кабелю мідних шин. Потужність і частота токи визначаються ємністю плавильного тигля і складу шихти. Звичайно в індукційних печах використовується струм частотою 500 &ndash; 2500 гц. Великі печі працюють на менших частотах. Потужність генератора вибирають з розрахунку 1,0 &ndash; 1,4 квт/кг шихти. Плавильні тиглі печей виготовляють з кислих чи основних вогнетривких матеріалів.

В індукційних печах сталь виплавляють методом переплаву шихти. Чад легуючих при цьому виходить дуже невеликим. Шлак утвориться при завантаженні шлакоутворюючих компонентів на поверхню розплавленого металу. Температура шлаку у всіх випадках менше температури металу, тому що шлак не володіє магнітної проникності й у ньому не індуцируется струм. Для випуску сталі з печі, тигель нахиляють убік зливального носка.

В індукційних печах немає вуглецю, тому метал не насичується вуглицем. Під дією електромагнітних сил метал циркулює, що прискорює хімічні реакції і сприяє одержанню однорідного металу.

Індукційні печі застосовують для виплавки високолегованих сталей і сплавів особливого призначення, що мають низький зміст вуглецю і кремнію.

5. Нові методи виробництва й обробки сталі

Електроннопроменева плавка металів. Для одержання особливо чистих металів і сплавів використовують електроннолучевую плавку. Плавка заснована на використанні кінетичної енергії вільних електронів, що одержали прискорення в електричному полі високої напруги. На метал направляється потік електронів, у результаті чого він нагрівається і плавиться.

Електроннопроменева плавка має ряд переваг: електронні промені дозволяють одержати високу щільність енергії нагрівання, регулювати швидкість плавки у великих межах, виключити забруднення розплаву матеріалом тигля і застосовувати шихту в будь-якому виді. Перегрів розплавленого металу в сполученні з малими швидкостями плавки і глибоким вакуумом створюють ефективні умови для очищення металу від різних домішок.

Електрошлаковий переплав. Дуже перспективним способом одержання високоякісного металу є електрошлаковий переплав. Краплі металу, що утворяться при переплаву заготівлі, проходять через шар рідкого металу і рафинируются. При обробці металу шлаком і спрямованої кристалізації злитка знизу нагору зміст сірки в заготівлі знижується на 30 &ndash; 50%, а зміст неметалічних включень &ndash; у два-три разів.

Вакуумування сталі. Для одержання високоякісної сталі, широко застосовується вакуумна плавка. У злитку містяться гази і деяка кількість неметалічних включень. Їх можна значно зменшити, якщо скористатися вакуумированием сталі при її виплавці і розливанні. При цьому способі рідкий метал піддається витримці в закритій камері, з якої видаляють повітря й інші гази. Вакуумирование сталі виробляється в ковші перед заливанням по изложницам. Кращі результати виходять тоді, коли сталь після вакуумирования в ковші розливають по изложницам так само у вакуумі. Виплавка металу у вакуумі здійснюється в закритих індукційних печах.

Рафінування сталі в ковші рідкими синтетичними шлаками. Сутність цього методу полягає в тому, що очищення сталі від сірки, кисню і неметалічних включень виробляються при інтенсивному перемішуванні сталі в ковші з попередньо злитим у нього шлаком, приготовленому в спеціальної шлакоплавильної печі. Сталь після обробки рідкими шлаками володіє високими механічними властивостями. За рахунок скорочення періоду рафінування в дугових печах, продуктивність яких може бути збільшена на 10 &ndash; 15%. Мартенівська піч, оброблена синтетичними шлаками, по якості близька до якості сталі, виплавлюваної в електричних печах.



Список використаної літератури

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

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

3. «Металургія» А.П. Гуляєв 1966 рік.

Размещено на Allbest.ru

...