ЗМІСТ.
1. Будова і властивості сталі
2. Виробництво сталі
2.1. Виробництво сталі в конвертерах
2.2. Виробництво сталі в мартенівських печах
2.3. Виробництво сталі в дугових електропечах
2.4. Виплавка сталі в індукційних печах
2.5. Позапічної рафінування стали
2.6. Розливання сталі
2.7. Спеціальні види електрометалургії сталі
Список літератури
1. Будова і властивості сталі.
Сталь-сплав заліза з вуглецем (до 2%) і супутніми домішками у вигляді марганцю, кремнію, сірки, фосфору та інших Стали, застосовувані в машинобудуванні, зазвичай містять від 0,05 до 1,5% С.
Залізо в твердому стані може знаходитися в двох модифікаціях:
Вуглець є другим основним компонентом, що визначає структуру, механічні і технологічні властивості сталі.
Домішки, присутні в сталі ділять на чотири групи:
постійні, або звичайні (табл. 1)-марганець, кремній, фосфор і сірка, якщо їх зміст знаходиться в межах: до 0,8% Mn; до 0,4% Si; до 0,05% Р і до 0,05 % S;
приховані - азот, кисень, водень, присутні в будь-якій сталі, в дуже малих кількостях (тисячні частки відсотка);
випадкові - наприклад, миш'як, свинець, мідь і ін, що потрапляють в сталь через те, що вони містяться в рудах або шихтових матеріалах даного географічного району чи пов'язані з певним технологічним процесом виробництва сталі;
спеціальні (легуючі елементи) - їх вводять до складу стали для отримання потрібних за умовами служби деталей властивостей сталі. У цьому випадку сталь називають легованої. Сталь також буде легованої, якщо вміст кремнію 0,5%, а марганцю%. [1]
2. ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ
У якості вихідних матеріалів при виробництві сталі використовуються рідкий або твердий чавун, металобрухт, а також раскислители, легуючі і шлакоутворювальні матеріали. Залежно від наявності в даному регіоні чи на даному заводі тих чи інших шихтових матеріалів (в першу чергу рідкого чавуну) 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 безперервнолитої 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).
У своїй основі виробництво сталі-процес окислювальний, так як в його ході потрібно перш за все окислити надлишок вуглецю (вміст останнього в стали значно нижче, ніж у чавуні} і домішки.
2.1. 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.
Технологія плавки сталі в конвертерах. Можна виділити три основні періоди в конвертерному виробництві сталі: завантаження шихтових матеріалів, продувку киснем і випуск плавки. Завантаження конвертера зазвичай починають з завалки металобрухту із спеціальних лотків з допомогою завалочної машини. Для цього конвертер нахиляють в положення рис. 2а. Потім в конвертер заливається чавун, рис.26. Після цього конвертер повертають н вертикальне положення і починають добавку шлакоутворюючих матеріалів (головним чином, вапна) рис. 2в. Одночасно в конвертер опускають кисневу фурму і починають продувку технічним киснем, рис. 2 р. По ходу продувки продовжують добавку шлакообразующих.
Висока інтенсивність продувки киснем забезпечує циркуляцію металу та її перемішування зі шлаком. Тривалість продувки становить 12 ... 16 хв. Закінчення продування визначається за кількістю введеного кисню з урахуванням кількості і складу шихтових матеріалів.
Температура розплаву в перші хвилини продувки практично не змінюється, оскільки все тепло, що виділяється в результаті окислювальних реакцій, витрачається на плавлення металобрухту. Після закінчення його плавлення спостерігається безперервне підвищення температури розплаву. Після закінчення продування кисневу фурму піднімають і в метал зверху (паралельно кисневої фурме) вводять зонд для автоматичного відбору проби на експрес-аналіз і вимірювання температури. Якщо склад металу і його температура відповідають вимогам, приступають до випуску плавки, якщо ні-проводять коригування складу. У тому випадку, якщо аналіз показав підвищений (в порівнянні з маркою сталі) вміст вуглецю або недостатню температуру, то роблять додувку плавки. Якщо ж вміст вуглецю нижче необхідного, у ківш разом з випускається металом додають графіт або мелений кокс в необхідних кількостях.
Випуск плавки виробляють в спеціальний сталерозливний ківш через річку, рис. 2. Д. У ході випуску прагнуть повністю виключити потрапляння в ківш разом з металом конвертерного шлаку. А для запобігання швидкого охолодження металу в ковші туди додають спеціальну теплоізолюючу суміш або синтетичний шлак. Крім того, при необхідності в ківш по ходу випуску сталі додають раскислители ц легуючі. Конвертерний шлак зливають в шлакову чашу, рис. 2 е.
Конвертери з комбінованим дуттям. Застосування комбінованої продувки за рахунок більш інтенсивного перемішування металу і шлаку сприяє поліпшенню рафінування сталі і збільшення виходу придатного за рахунок усунення викидів і зниження окислення заліза в шлак.
Техніко-економічні показники роботи конвертерів включають продуктивність, собівартість і якість. Киснево-конвертерний процес є найпродуктивнішим зі всіх процесів виробництва сталі. Сучасний конвертерний цех з двома конвертерами (один - у роботі, інший - у ремонті) забезпечує виробництво до 5 млн. т сталі на рік.
Собівартість стали включає вартість шихтових матеріалів, розкислювачів і легуючих добавок, кисню, вогнетривів, амортизаційні витрати, зарплату і т.п. Основною статтею собівартості є вартість металевої частини шихти. Тому боротьба за зменшення втрат металу при переділі (за рахунок викидів і виносів) є істотним резервом зниження собівартості сталі. В даний час собівартість конвертерної сталі достатня висока.
Якість стали в першу чергу визначається вмістом шкідливих домішок, таких як фосфор і сірка, що надходять з чавуном; водень і азот, що потрапляють в метал з брухтом і з атмосфери. Сприятливі умови рафінування сталі в конвертері і відсутність в процесі виробництва контакту з воднем і азотом дозволяють виробляти сталь найвищої якості.
2.2. 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%. Образующееся 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 настильность (стелитися над поверхнею ванни) і світність. Настильность 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.
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.
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
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.
У середньому собівартість мартенівської та конверторної сталі близькі між собою. Порівняння з конвертерним виробництвом показує також, що продуктивність праці в мартенівських печах помітно нижче, збільшення рівня споживання вогнетривів, значний витрата дефіцитного палива. В даний час у нашій країні більше половини сталі виплавляється в мартенівських печах, але в найближчому майбутньому обсяг цієї виплавки буде надалі скорочуватися, мартенівський процес буде замінений іншими, більш економічними.
2.3. 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.
Пристрій дугової електропечі. Схема печі представлена на рис. 4. 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.
Дугові печі широко поширені не тільки на металургійних, але і на машинобудівних заводах.
Техніко-економічні показники роботи дугових електропечей. Основною складовою собівартості при виробництві легованої сталі є вартість феросплаву. Наприклад, при виплавці нержавіючих або швидкорізальних сталей на свіжої шихті вартість феросплавів може складати 95 ... 99% від собівартості сталі. При переплаві легованих відходів собівартість сталі значно знижується за рахунок зменшення витрати феросплавів. У цілому собівартість електросталі однієї і тієї ж марки незначно вище, ніж конвертерної сталі.
2.4. Виплавка сталі в індукційних печах
У ливарних цехах і на машинобудівних заводах у ряді випадків для виплавки сталі застосовують індукційні печі. Принцип їх роботи полягає в тому, що змінний струм підводиться до індуктора. При цьому утворюється змінне магнітне поле, яке індукує (збуджує) струм у вторинному контурі (тиглі з завантаженим у нього металом). Під дією цього струму метал нагрівається і плавиться. На вогнетривкої кладці поміщається тигель з навиті на нього індуктором, виготовленим з мідної трубки, усередині якої для охолодження циркулює вода. Струм до індуктора подається за гнучким шинам. Футеровку індукційних печей виготовляють набивний з кислих (кварцит) або основних (магнезит) мелених матеріалів з добавкою до 3% зв'язки, у якості якої використовують зазвичай борну кислоту. Витрата електроенергії в індукційних печах дещо менший, ніж у електродугови.х (до 700 кВт-год / т).
Як правило, індукційні печі застосовуються для виплавки спеціальних сталей і сплавів. У піч завантажують або леговані, або вуглецеві відходи, метал розплавляють і додають потрібну по марці стали кількість феросплавів.
У тому випадку, якщо потрібне особливо висока якість сплавів, їх виплавляють у вакуумних індукційних. Печах (а вакуумі або в інертній атмосфері). У цьому випадку одержують метал з низьким вмістом кисню, водню, азоту та сірки, а також чистий по неметалевим включень .. Такий метал характеризується більш високими механічними та іншими службовими властивостями, значно легше піддається деформації як в холодному, так і гарячому стані, Особливо перспективна вакуумна плавка при виробництві високолегованих жароміцних та жаростійких сталей і сплавів з підвищеним вмістом хімічно активних елементів (таких як алюміній, титан, цирконій та ін.)
2.5. Позапічної рафінування стали
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 мікродобавок, 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.
Вакуумирование сталі. Основним завданням вакуумної обробки є дегазація стали. [2]
2.6. 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. Разливка 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.
2.7. Спеціальні види електрометалургії сталі
Розглянуті вище способи виробництва сталі не завжди задовольняють безперервно зростаючі вимоги до якості сталі з боку авіаційної промисловості, спеціальних галузей машинобудування і т. п. Причинами цього є недостатня чистота металу по шкідливих домішок, а також хімічна і кристалічна неоднорідність злитків і безперервнолитих заготовок. Для підвищення якості металу, його службових властивостей заготовки, отримані звичайними способами, піддають переплаву у спеціальних печах (електрошлакових, вакуумно-дугових і т. п.).
Електрошдаковий переплав [ЕШП). Цей спосіб знайшов найбільше поширення у зв'язку з його простотою і економічністю. Його сутність полягає в тому, що через заздалегідь виготовлений споживаний електрод, занурений в шлакову ванну, пропускають електричний струм.
У порівнянні з металом шлак має значно більше електроопір і в ньому виділяється тепло, необхідне для підвищення температури і оплавлення електрода. Метал краплями стікає через шлак вниз, утворюючи під шлаком металеву ванну. При крапельному перенесення через такі шлаки метал додатково очищається від шкідливих домішок, газів і неметалевих включень. Цей процес здійснюється в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі, де метал твердне. Повільна кристалізація рідкої ванни забезпечує отримання щільного однорідного металу.
Методом ЕШП переплавляють злитки масою в десятки тонн.
Вакуум-дугового переплав (ВДП). Суть методу полягає в тому, що переплав відбувається у вакуумі під дією дуг, що виникають між витрачаються електродом і що формуються злитком, що знаходяться у водоохолоджуваному кристалізаторі. Методом ВДШ можна переплавляти злитки масою в десятки тонн. Однак цей метод складний у своєму апаратурному виконанні і досить доріг.
Крім ЕШП і ВДП існує ще цілий ряд переплавних процесів: електронно-променевої, плазмовий і деякі інші. Кожен з них має свої недоліки і переваги. Вибір методу переплаву диктується вимогами, що пред'являються до якості сталей і сплавів.
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.
1. Будова і властивості сталі
2. Виробництво сталі
2.1. Виробництво сталі в конвертерах
2.2. Виробництво сталі в мартенівських печах
2.3. Виробництво сталі в дугових електропечах
2.4. Виплавка сталі в індукційних печах
2.5. Позапічної рафінування стали
2.6. Розливання сталі
2.7. Спеціальні види електрометалургії сталі
Список літератури
1. Будова і властивості сталі.
Сталь-сплав заліза з вуглецем (до 2%) і супутніми домішками у вигляді марганцю, кремнію, сірки, фосфору та інших Стали, застосовувані в машинобудуванні, зазвичай містять від 0,05 до 1,5% С.
Залізо в твердому стані може знаходитися в двох модифікаціях:
Вуглець є другим основним компонентом, що визначає структуру, механічні і технологічні властивості сталі.
Домішки, присутні в сталі ділять на чотири групи:
постійні, або звичайні (табл. 1)-марганець, кремній, фосфор і сірка, якщо їх зміст знаходиться в межах: до 0,8% Mn; до 0,4% Si; до 0,05% Р і до 0,05 % S;
приховані - азот, кисень, водень, присутні в будь-якій сталі, в дуже малих кількостях (тисячні частки відсотка);
випадкові - наприклад, миш'як, свинець, мідь і ін, що потрапляють в сталь через те, що вони містяться в рудах або шихтових матеріалах даного географічного району чи пов'язані з певним технологічним процесом виробництва сталі;
спеціальні (легуючі елементи) - їх вводять до складу стали для отримання потрібних за умовами служби деталей властивостей сталі. У цьому випадку сталь називають легованої. Сталь також буде легованої, якщо вміст кремнію 0,5%, а марганцю%. [1]
2. ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ
У якості вихідних матеріалів при виробництві сталі використовуються рідкий або твердий чавун, металобрухт, а також раскислители, легуючі і шлакоутворювальні матеріали. Залежно від наявності в даному регіоні чи на даному заводі тих чи інших шихтових матеріалів (в першу чергу рідкого чавуну) 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 безперервнолитої 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).
У своїй основі виробництво сталі-процес окислювальний, так як в його ході потрібно перш за все окислити надлишок вуглецю (вміст останнього в стали значно нижче, ніж у чавуні} і домішки.
2.1. 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.
Технологія плавки сталі в конвертерах. Можна виділити три основні періоди в конвертерному виробництві сталі: завантаження шихтових матеріалів, продувку киснем і випуск плавки. Завантаження конвертера зазвичай починають з завалки металобрухту із спеціальних лотків з допомогою завалочної машини. Для цього конвертер нахиляють в положення рис. 2а. Потім в конвертер заливається чавун, рис.26. Після цього конвертер повертають н вертикальне положення і починають добавку шлакоутворюючих матеріалів (головним чином, вапна) рис. 2в. Одночасно в конвертер опускають кисневу фурму і починають продувку технічним киснем, рис. 2 р. По ходу продувки продовжують добавку шлакообразующих.
Висока інтенсивність продувки киснем забезпечує циркуляцію металу та її перемішування зі шлаком. Тривалість продувки становить 12 ... 16 хв. Закінчення продування визначається за кількістю введеного кисню з урахуванням кількості і складу шихтових матеріалів.
Температура розплаву в перші хвилини продувки практично не змінюється, оскільки все тепло, що виділяється в результаті окислювальних реакцій, витрачається на плавлення металобрухту. Після закінчення його плавлення спостерігається безперервне підвищення температури розплаву. Після закінчення продування кисневу фурму піднімають і в метал зверху (паралельно кисневої фурме) вводять зонд для автоматичного відбору проби на експрес-аналіз і вимірювання температури. Якщо склад металу і його температура відповідають вимогам, приступають до випуску плавки, якщо ні-проводять коригування складу. У тому випадку, якщо аналіз показав підвищений (в порівнянні з маркою сталі) вміст вуглецю або недостатню температуру, то роблять додувку плавки. Якщо ж вміст вуглецю нижче необхідного, у ківш разом з випускається металом додають графіт або мелений кокс в необхідних кількостях.
Випуск плавки виробляють в спеціальний сталерозливний ківш через річку, рис. 2. Д. У ході випуску прагнуть повністю виключити потрапляння в ківш разом з металом конвертерного шлаку. А для запобігання швидкого охолодження металу в ковші туди додають спеціальну теплоізолюючу суміш або синтетичний шлак. Крім того, при необхідності в ківш по ходу випуску сталі додають раскислители ц легуючі. Конвертерний шлак зливають в шлакову чашу, рис. 2 е.
Конвертери з комбінованим дуттям. Застосування комбінованої продувки за рахунок більш інтенсивного перемішування металу і шлаку сприяє поліпшенню рафінування сталі і збільшення виходу придатного за рахунок усунення викидів і зниження окислення заліза в шлак.
Техніко-економічні показники роботи конвертерів включають продуктивність, собівартість і якість. Киснево-конвертерний процес є найпродуктивнішим зі всіх процесів виробництва сталі. Сучасний конвертерний цех з двома конвертерами (один - у роботі, інший - у ремонті) забезпечує виробництво до 5 млн. т сталі на рік.
Собівартість стали включає вартість шихтових матеріалів, розкислювачів і легуючих добавок, кисню, вогнетривів, амортизаційні витрати, зарплату і т.п. Основною статтею собівартості є вартість металевої частини шихти. Тому боротьба за зменшення втрат металу при переділі (за рахунок викидів і виносів) є істотним резервом зниження собівартості сталі. В даний час собівартість конвертерної сталі достатня висока.
Якість стали в першу чергу визначається вмістом шкідливих домішок, таких як фосфор і сірка, що надходять з чавуном; водень і азот, що потрапляють в метал з брухтом і з атмосфери. Сприятливі умови рафінування сталі в конвертері і відсутність в процесі виробництва контакту з воднем і азотом дозволяють виробляти сталь найвищої якості.
2.2. 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%. Образующееся 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 настильность (стелитися над поверхнею ванни) і світність. Настильность 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.
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.
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
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.
У середньому собівартість мартенівської та конверторної сталі близькі між собою. Порівняння з конвертерним виробництвом показує також, що продуктивність праці в мартенівських печах помітно нижче, збільшення рівня споживання вогнетривів, значний витрата дефіцитного палива. В даний час у нашій країні більше половини сталі виплавляється в мартенівських печах, але в найближчому майбутньому обсяг цієї виплавки буде надалі скорочуватися, мартенівський процес буде замінений іншими, більш економічними.
2.3. 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.
Пристрій дугової електропечі. Схема печі представлена на рис. 4. 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.
Дугові печі широко поширені не тільки на металургійних, але і на машинобудівних заводах.
Техніко-економічні показники роботи дугових електропечей. Основною складовою собівартості при виробництві легованої сталі є вартість феросплаву. Наприклад, при виплавці нержавіючих або швидкорізальних сталей на свіжої шихті вартість феросплавів може складати 95 ... 99% від собівартості сталі. При переплаві легованих відходів собівартість сталі значно знижується за рахунок зменшення витрати феросплавів. У цілому собівартість електросталі однієї і тієї ж марки незначно вище, ніж конвертерної сталі.
2.4. Виплавка сталі в індукційних печах
У ливарних цехах і на машинобудівних заводах у ряді випадків для виплавки сталі застосовують індукційні печі. Принцип їх роботи полягає в тому, що змінний струм підводиться до індуктора. При цьому утворюється змінне магнітне поле, яке індукує (збуджує) струм у вторинному контурі (тиглі з завантаженим у нього металом). Під дією цього струму метал нагрівається і плавиться. На вогнетривкої кладці поміщається тигель з навиті на нього індуктором, виготовленим з мідної трубки, усередині якої для охолодження циркулює вода. Струм до індуктора подається за гнучким шинам. Футеровку індукційних печей виготовляють набивний з кислих (кварцит) або основних (магнезит) мелених матеріалів з добавкою до 3% зв'язки, у якості якої використовують зазвичай борну кислоту. Витрата електроенергії в індукційних печах дещо менший, ніж у електродугови.х (до 700 кВт-год / т).
Як правило, індукційні печі застосовуються для виплавки спеціальних сталей і сплавів. У піч завантажують або леговані, або вуглецеві відходи, метал розплавляють і додають потрібну по марці стали кількість феросплавів.
У тому випадку, якщо потрібне особливо висока якість сплавів, їх виплавляють у вакуумних індукційних. Печах (а вакуумі або в інертній атмосфері). У цьому випадку одержують метал з низьким вмістом кисню, водню, азоту та сірки, а також чистий по неметалевим включень .. Такий метал характеризується більш високими механічними та іншими службовими властивостями, значно легше піддається деформації як в холодному, так і гарячому стані, Особливо перспективна вакуумна плавка при виробництві високолегованих жароміцних та жаростійких сталей і сплавів з підвищеним вмістом хімічно активних елементів (таких як алюміній, титан, цирконій та ін.)
2.5. Позапічної рафінування стали
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 мікродобавок, 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.
Вакуумирование сталі. Основним завданням вакуумної обробки є дегазація стали. [2]
2.6. 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. Разливка 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.
2.7. Спеціальні види електрометалургії сталі
Розглянуті вище способи виробництва сталі не завжди задовольняють безперервно зростаючі вимоги до якості сталі з боку авіаційної промисловості, спеціальних галузей машинобудування і т. п. Причинами цього є недостатня чистота металу по шкідливих домішок, а також хімічна і кристалічна неоднорідність злитків і безперервнолитих заготовок. Для підвищення якості металу, його службових властивостей заготовки, отримані звичайними способами, піддають переплаву у спеціальних печах (електрошлакових, вакуумно-дугових і т. п.).
Електрошдаковий переплав [ЕШП). Цей спосіб знайшов найбільше поширення у зв'язку з його простотою і економічністю. Його сутність полягає в тому, що через заздалегідь виготовлений споживаний електрод, занурений в шлакову ванну, пропускають електричний струм.
У порівнянні з металом шлак має значно більше електроопір і в ньому виділяється тепло, необхідне для підвищення температури і оплавлення електрода. Метал краплями стікає через шлак вниз, утворюючи під шлаком металеву ванну. При крапельному перенесення через такі шлаки метал додатково очищається від шкідливих домішок, газів і неметалевих включень. Цей процес здійснюється в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі, де метал твердне. Повільна кристалізація рідкої ванни забезпечує отримання щільного однорідного металу.
Методом ЕШП переплавляють злитки масою в десятки тонн.
Вакуум-дугового переплав (ВДП). Суть методу полягає в тому, що переплав відбувається у вакуумі під дією дуг, що виникають між витрачаються електродом і що формуються злитком, що знаходяться у водоохолоджуваному кристалізаторі. Методом ВДШ можна переплавляти злитки масою в десятки тонн. Однак цей метод складний у своєму апаратурному виконанні і досить доріг.
Крім ЕШП і ВДП існує ще цілий ряд переплавних процесів: електронно-променевої, плазмовий і деякі інші. Кожен з них має свої недоліки і переваги. Вибір методу переплаву диктується вимогами, що пред'являються до якості сталей і сплавів.
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.
[1] Довідник металіста. У 5-ти т. Т.2 / За ред. А.Г. Рахштадта, В. А. Брострема. - М., 1976. - С. 64.
[2] Матеріалознавство і технологія металів / В.Т. Жадан, П. І. Полухін та ін - М., 1994. - С. 39.