Реферат на тему:
"Процес виробництва сталі в електропечах і крива охолодження"
Електроплавильні печі. Ці печі мають переваги в порівнянні з іншими плавильними агрегатами. В електропечах можна швидко нагрівати, плавити і точно регулювати температуру металу, створювати окислювальну, відновну, нейтральну атмосферу вакуум. У цих печах можна виплавляти сталь та сплави будь-якого складу, більш повно розкислювати метал з утворенням мінімальної кількості неметалічних включень-продуктів розкислення. Тому електропечі використовують для виплавки конструкційних сталей відповідального призначення, високолегованих, інструментальних, корозійно-стійких (нержавіючих) та інших спеціальних сталей і сплавів.
Електроплавильні печі бувають дуговими і індукційними.
Дугова електросталеплавильна піч. У цих печах як джерела теплоти використовують електричну дугу, яка виникає між електродами і металевою шихтою. Дугова електросталеплавильна піч (рис. 1) харчується трифазним змінним струмом і має три циліндричних електрода 9, виготовлених з графітований маси. Електричний струм від трансформатора гнучкими кабелями 7 і мідними шинами підводиться до електродотримача 8, а через них до електродів 9. Між електродами і металевою шихтою 4 виникає електрична дуга, електроенергія перетворюється в теплоту, яка передається металу і шлаку випромінюванням. Робоча напруга 180-600 В, сила струму 1-10 кА. Під час роботи печі довжина дуги регулюється автоматично шляхом вертикального переміщення електродів.
Піч має сталевий зварний кожух 3. Кожух печі зсередини футерований теплоізоляційним і вогнетривкою цеглою 1, який може бути основним (магнезитовий, магнезітохромітовий) або кислим (динасовий). Подина 12 печі набивається вогнетривкої масою. Плавильне простір обмежений стінками 5, подини 12 і склепінням у, виготовленим також з вогнетривкої цегли та мають отвори для проходу електродів. У стінках печі є робоче вікно 10 для управління ходом плавки і льотка для випуску готової сталі по жолобі 2 в ківш.
Рис. 1. Схема дугового електричної плавильної печі
Піч завантажують при знятому склепінні. Механізмом 11 піч може нахилятися убік завантажувального вікна і льотки. Ємність дугових електропечей 0,5-400 т. У металургійних цехах зазвичай використовують дугові електропечі з основною футеровкой, а в ливарних цехах - з кислою.
Основна дугова піч. Застосовують два види технології плавки в дугового основний печі: на шихті з легованих відходів (методом переплаву) і на вуглецевої шихті (з окисленням домішок).
Плавку на шихті з легованих відходів з низьким змістом фосфору проводять без окислення домішок. Шихта для такої плавки, крім зниженого вмісту фосфору, повинна мати менше, ніж в виплавленої сталі, кількість марганцю і кремнію. По суті це переплав. Однак у процесі плавки за рахунок кисню деякі домішки (алюмінію, титану, кремнію, марганцю, хрому) окислюються. Крім того, шихта може містити оксиди. Тому після розплавлювання шихти метал раскисляют, видаляють сірку, наводять основний шлак, при необхідності насичуватися вуглецем і доводять метал до заданого хімічного складу. Раскисляют ферросилицием, алюмінієм, меленим коксом. При цьому оксиди легуючих елементів відновлюються і переходять зі шлаку в метал. Таким способом плавки одержують леговані сталі з відходів машинобудівних заводів.
Плавку на вуглецевої шихті частіше застосовують для виробництва конструкційних вуглецевих сталей. Цю плавку проводять за два періоди: окисний і відбудовний. Після заправки печі, видалення залишків металу і шлаку попередньої плавки, виправлення пошкоджених місць футеровки в піч завантажують шихту: сталевий брухт (до 90%), чушковий передільний чавун (до 10%), електродний бій або кокс для науглероживания металу і 2-3% вапна.
Після закінчення завалки шихти електроди опускають вниз і включають струм; шихта під електродами плавиться, метал накопичується на подині печі. Під час плавлення шихти починається окислювальний період плавки: за рахунок кисню повітря, окислів шихти і окалини окислюється кремній, марганець, вуглець, залізо. Разом з окисом кальцію, що міститься у вапні, оксиди цих елементів утворюють основний залізистий шлак, що сприяє видаленню фосфору з металу.
Після нагріву металу і шлаку до 1500-1540 ° С в піч завантажують руду і вапно. Що міститься в руді кисень інтенсивно окисляє вуглець і викликає кипіння ванни рідкого металу за рахунок виділяються пухирців окису вуглецю. Шлак спінюється, рівень його підвищується; для випуску шлаку піч нахиляють убік робочого вікна і він стікає в шлакову чашу.
Кипіння металу прискорює нагрівання ванни, видалення з металу газів, неметалевих включень, сприяє видаленню фосфору. Шлаки видаляють, руду і вапно додають 2-3 рази. У результаті вміст фосфору в металі знижується до 0,01% і одночасно за рахунок утворення окису вуглецю при кипінні зменшується і вміст вуглецю. Коли зміст вуглецю стає менше заданого на 0,1%, кипіння припиняють і повністю видаляють з печі шлак. Цим закінчується окислювальний період плавки.
Відновлювальний період плавки включає розкислення металу, видалення сірки і доведення хімічного складу до заданого. Після видалення окисного шлаку в піч подають феромарганець в кількості, що забезпечує заданий вміст марганцю у сталі, а також виробляють коксування, якщо виплавляють високовуглецеві сталі (до 1,5% С).
Виробництво сталі в електропечах відноситься до галузі техніки, що називається загальним поняттям «електрометалургія». По суті, електрометалургія охоплює всі промислові способи отримання металів і сплавів за допомогою електричного струму (в сталеплавильних електропечах, в руднотермічних печах, в агрегатах електрохімічних виробництв та ін) Найчастіше під словом «електрометалургія» розуміють галузь техніки, в якої стали і сплави отримують з використанням електричної енергії як джерела тепла, а з поняттям «електропіч» пов'язують відповідний агрегат для отримання сталі і сплавів. Прийнята класифікація плавильних електричних печей (або просто електропечей) заснована на головному ознаці - спосіб перетворення електричної енергії в теплову.
Відповідно до цього електропечі для плавки металів можна розділити на кілька груп.
Печі опору
У відповідності з відомими законами фізики при проходженні струму по провіднику в ньому виділяється тепло (кількість якого залежить від сили струму і електроопору). В якості елемента опору може використовуватися сам метал (прямий нагрів) або інший матеріал (непрямий нагрів).
Дугові сталеплавильні печі (ДСП)
У даних печах перетворення електричної енергії в теплову відбувається в електричній дузі і виділяється при цьому тепло передається металу або за допомогою випромінювання (побічна дія, дуга горить між електродами), або безпосередньо за рахунок теплопровідності (прямий нагрів, дуга горить між електродом і металом).
Індукційні сталеплавильні печі
Деяка кількість сталі виплавляється в тигельних індукційних печах, в яких розплавляється метал знаходиться в керамічному тиглі, вміщеному всередину многовіткового циліндричного індуктора (рис. 17.22). Діапазон ємностей сучасних тигельних індукційних печей досить великий - від кількох кілограмів (в основному для дослідницьких робіт у лабораторіях) до десятків тонн.
Під дією змінного магнітного поля, створюваного індуктором, у нагреваемом металі індукується електрорушійна сила. За рахунок джоулева тепла, що виділяється в металі під дією струму, метал нагрівається і плавиться.
Електромагнітні сили чинять на рідкий метал статичне і динамічне впливу, в результаті чого верхня частина металу віджимається від стінок тигля, а в усьому обсязі виникає електродинамічна циркуляція.
Опуклий меніск ускладнює обробку металу шлаком, оскільки шлак стікає до стінок тигля; досить висока швидкість турбулентного руху металу посилює знос футеровки. У принципі, якщо електромагнітні сили досить великі і можуть врівноважити дію гравітаційних сил ваги, можна здійснити індукційну плавку в підвішеному стані, без тигля (бестігельной плавка).
Рис. 2. Тигельна індукційна піч:
1 - рідка сталь, 2 шлак; 3 - водоохлаждасмая котушка індуктора; 4 - вогнетривка футеровка, 5 - зливний носок; 6 - вогнетривку цеглу, 7 термоізоляція
Практично у звичайних індукційних печах шлак нагрівається від рідкого металу. Якщо шлак холодний і в'язкий, то відповідно немає умов для видалення сірки і фосфору. Цей недолік таких печей в якійсь мірі усувається використанням кришок (рис. 3), а в деяких сучасних установках - плазмових пальників.
Рис. 3. Промислова тигельна відкрита індукційна піч:
1 - механізм підйому і одворота зводу; 2 - тигель; 3 - індуктор; 4 - магнітопроводи (феромагнітні екрани), 5 кожух, 6 - сигналізатор, 7 механізм нахилу
До достоїнств індукційних печей відносяться:
відсутність електродів і відповідно відсутність науглероживания металу;
відсутність дуг і відповідно менше насичення металу азотом і воднем;
перемішування металу;
можливість виплавляти метал у будь-який контрольованій атмосфері і взагалі у вакуумі (рис. 4), а соответствен але і малий чад легуючих, відсутність газів і т.п.
Рис. 4. Тигельна вакуумна індукційна піч:
1 - рухлива і нерухома частини корпусу відповідно; 2 - тигель; 3 - механізм нахилу; 4 - камера завантаження; 5 - дозатор, 6 - робочий майданчик; 7 - пристрій для чищення тигля
Іншими словами, якість металу, що виплавляється в індукційних печах, в значній мірі визначається якістю шихти. По суті, плавка в таких печах є переплав чистою, спеціально відібраної металошихти з добавкою феросплавів, лігатури і деякої кількості шлакообразующих добавок.
Футеровка тиглів може бути кислою (кварцовий пісок, кварцит) або основної (порошок магнезиту або хромомагнезіта). У вогнетривах для печей високої частоти повинні бути відсутніми токопроводяшіе і магнітні домішки, так як у високочастотному полі вони нагріються, оплавитися, що може призвести до прогорання тигля. Стійкість основний футеровки може досягати 100 плавок, стійкість кислої футеровки вище.
Плазмові печі
У плазмових печах джерелом тепла служить плазма, що отримується за допомогою плазмотронів. Подові плазмово-дугові печі (ПДП) по конструкції схожі з звичайної ДСП. У ПДП катодом дугового розряду постійного струму служать катоди плазмотронів, анодом - оброблюваний метал. Дуга в ПДП обдувається потоком інертного газу (зазвичай аргону). Плазмові високочастотні печі (ПВП) застосовують звичайно для вирощування монокристалів та переробки чистих речовин.
Електронно-променеві печі (установки)
Перетворення електричної енергії в теплову в даних установках відбувається безпосередньо в розплавленому металі як результат зіткнення з ним електронів, що вилітають з електронної гармати. Переплавляється метал подається в піч у вигляді електрода, злитка, порошку і т.д.; розплавлений метал стікає краплями або в водоохолоджуваний кристалізатор - виливницю, або в тигель. Плавка, що відбувається при високій температурі і глибокому вакуумі, використовується для одержання особливо чистих тугоплавких металів і сплавів, злитків із сталі і сплавів для деталей особливо відповідального призначення і т.п.
Сплави заліза з вуглецем, що містять від 2,14 до 6,67% З називаються чавунами (від 2,14 до 4,3% С - доевтектичні, від 4,3 до 6,67% С - заевтектичних чавуни).
Криві охолодження - графічне зображення залежності температури від часу для вихідних чистих речовин A і B і їх сумішей різного складу. Вигляд цих кривих свідчить про наявність чи відсутність фазових перетворень при деяких певних температурах або в інтервалі температур (малюнок).
Діаграма стану являє собою графічне зображення стану будь-якого сплаву системи, що вивчається в залежності від концентрації і температури (рис. 5)
Рис. 5. Діаграма стану
Діаграми стану показують стійкі стану, тобто стани, які за даних умов володіють мінімумом вільної енергії, і тому її також називають діаграмою рівноваги, так як вона показує, які за даних умов існують рівноважні фази.
Побудова діаграм стану найбільш часто здійснюється за допомогою термічного аналізу.
У результаті отримують серію кривих охолодження, на яких при температурах фазових перетворень спостерігаються точки перегину і температурні зупинки.
Температури, відповідні фазовим перетворенням, називають критичними точками. Деякі критичні точки мають назви, наприклад, точки відповідають початку кристалізації називають точками ликвидус, а кінця кристалізації - крапками солидус.
По кривим охолодження будують діаграму складу в координатах: по осі абсцис - концентрація компонентів, по осі ординат - температура.
Шкала концентрацій показує зміст компонента В. Основними лініями є лінії ликвидус (1) і солидус (2), а також лінії відповідні фазовим перетворенням у твердому стані.
Доевтектичні чавуни (рис. 6) починають кристалізацію в точці 1, де при наступному охолодженні відбувається виділення з рідкої фази кристалів аустеніту змінного складу, концентрація якого визначається лінією JE, а рідкого розплаву - лінією ликвидус Bс. У точці 2 зміст вуглецю в розплаві досягає 4,3% і при постійній температурі 1147 ° С залишився розплав кристалізується в евтектику (дисперсну суміш аустеніту, що містить 2,14% С, і цементиту), звана ледебуріта LC → АE + Ц. Ледебурит має стільникове або пластинчаста будова.
При подальшому охолодженні (ділянка 2 - 3) аналогічно заевтектоідной стали з аустеніту (структурно вільного і входить до складу ледебуріта) виділяється надлишковий вуглець у вигляді
вторинного цементиту. Аустеніт при цьому збіднюється вуглецем і при температурі 727 ° С набуває склад, відповідний евтектоїдних. У точці 3 починається евтектоїдних перетворення аустеніту в перліт при постійній температурі 727 ° С (майданчик 3-3 *).
Перліт утворюється з структурно вільного аустеніту і з аустеніту, що входить до складу ледебуріта. Ледебурит, що складається з суміші цементиту та перліту, носить назву видозміненого ледебуріта Лвід (П + Ц) на відміну від ледебуріта складу Л (А + Ц). При подальшому охолодженні від точки 3 / до точки 4 відбувається виділення надлишкового вуглецю з фериту, що входить до перліт і видозмінений ледебурит, у вигляді третинного цементиту, нашаровуються на цементит перліту і ледебуріта. Третинний цементит не впливає на властивості чавунів з-за незначної кількості, в порівнянні із загальною кількістю цементиту в чавунах. Кінцевий склад доевтектичні чавуну П + Лвід + ЦII, тому такий чавун називають перліто-ледебуріта-цементітную чавуном.
Коли рідкий метал остигає, температура його знижується, що призводить до вивільнення енергії.
Температура є характеристикою сумарної теплової енергії розплаву і пов'язана з кінетичною енергією молекул. При охолодженні розплаву інтенсивність теплового руху молекул знижується. Характеристикою даної енергії є питома теплоємність. Коли розплав досягає температури, званої температурою ликвидус, зв'язку між атомами на макрорівні помітно упрочняются. До тих пір, поки рідка фаза не перетвориться на тверду, виділяється більша кількість енергії. Енергія, що виділяється на цій стадії, називається схованою теплотою плавлення, ентальпією плавлення або просто прихованою теплотою. Температура залишається постійною до закінчення процесу фазового переходу. Прихована теплота вимірюється в кДж / кг. Температура, при якій метал або виділилася фаза повністю тверднуть, називається температурою солидус. Для чистих металів температури ликвидус і солидус збігаються.
Рис. 6.
Сплави зазвичай кристалізуються в деякому інтервалі температур, званому інтервалом кристалізації. Термічний аналіз грунтується на записі значень температури через певні проміжки часу під час процесу кристалізації розплаву. Таким чином, можлива побудова кривих охолодження і використання їх для аналізу і класифікації сплаву. Крива охолодження являє собою графік зміни температури в часі для зразка сплаву, що заливається в стандартну форму, оснащену термопарою, яку, як правило, розміщують в центрі форми. Температурні зупинки, що відбуваються, наприклад, при проходженні температур ліквідусу і солідусу, а також значення швидкості охолодження на різних стадіях процесу кристалізації, можна використовувати в якості металургійних характеристик для класифікації сплаву і прогнозування його поведінки при заливці у форми.
При термічному аналізі (ТА) металів вивчають процес кристалізації розплаву з рідкого стану. У деяких випадках буває корисним вивчити зворотний процес - процес нагрівання твердого зразка до моменту його повного розплавлення. На ринку є спеціальні стандартизовані пристрою, чи вимірювальні тиглі, обладнані термопарами (наприклад, Quik-Cups).
Криві охолодження часто будують, відкладаючи по осі ординат значення температури, а по осі абсцис - значення часу. Можна також визначити похідні від кривої охолодження, що полегшує відстеження змін у характері протікання процесу кристалізації. Графік похідною від кривої охолодження відображає швидкість зміни температури з плином часу - тобто по осі ординат відкладають відношення зміни температури до одиниці часу. У деяких випадках буває доцільним вивчити і поведінка 2 ї похідної.
Ще одним методом відстеження змін у характері процесу кристалізації є порівняння кривої охолодження сплаву з кривою охолодження стандартного зразка. Така методика носить назву диференціального термічного аналізу (ДТА). На практиці базову криву охолодження будують з використанням швидкостей охолодження перед ліквідусу і після солідусу.
Відмінності між реальною кривою охолодження і побудованої базової кривої можна віднести на рахунок прихованої теплоти, що виділилася при формуванні в розплаві різних фаз.
Список літератури
1. О.М. К а сілов Матеріалізнавство І технологія конструкційніх матеріалів. Конспект лекцій. Херсон, ХДМІ, 2008
2. Б.А. Кузьміна «Технологія металів і конструкційні матеріали», Москва, «Машинобудування» 1989
3. Ю.М. Лахтін «Основи металознавства», Москва, «Металургія» 1988.