Доклад про сталь
Вам когда-нибудь приходилось видеть кусок настоящего железа? Скорее всего, нет: его очень сложно получить и это недешево стоит, а главное, из него не сделаешь почти ничего полезного. С давних пор люди по привычке говорят: «железный гвоздь», «железная дорога», «железное ведро». На самом деле и гвозди, и ведра, и рельсы сделаны не из железа, а из сплавов железа с другими веществами.
Чистое железо — очень хрупкий и мягкий металл. Если же расплавить железо и к нему добавить немного углерода, то после застывания получится твердая и прочная сталь. Именно из нее сделаны многие окружающие нас вещи, которые мы неправильно называем железными. Сталь — это затвердевшая смесь железа и углерода (их сплав).
Разновидности стали
Сплавляя разные металлы и неметаллические минеральные вещества, можно получать материалы с новыми свойствами, которыми не обладает ни один из входящих в них элементов. Мягкие металлы становятся твердыми, непрочные превращаются в очень крепкие, легко расплавляемые приобретают возможность выдерживать высокую температуру. Даже небольшие добавки других веществ в расплавленный металл резко изменяют его свойства. Такие добавки называются легирующими элементами, а металл — легированным.
Например, нержавеющая сталь легирована никелем и хромом, а сталь легированная вольфрамом и хромом становится быстрорежущей (разновидность инструментальной). Резцы этой стали могут накаляться при работе до красного цвета, сохраняя свою твердость.
В зависимости от типа производства сталь бывает мартеновской, кислородно-конвертерной (важнейший способ производства на сегодняшний день), кислой, основной или электросталью.
По назначению изделий выделяются группы: конструкционные (строительные конструкции, машины, суда, вагоны, паровые котлы) и инструментальные (ударно-штамповые, режущие и мерительные инструменты).
По качеству (количеству вредных примесей) стали подразделяют на обыкновенные, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По характеру застывания различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь.
Применение стали
Этот сплав уже несколько веков верно служит человечеству в самых разных областях. На его долю приходится более 90 % всех изделий из металла. Более того, это основной элемент черной металлургической промышленности и главный материал для любого производства. Из сплавов изготавливаются инструменты, детали машин, бытовые вещи, мосты, скульптуры и т.д.
На сегодняшний день во всем мире производится около полутора миллиардов тонн стали. Около половины мирового производства приходится на долю Китая. Россия в этом списке находится на 15 месте.
Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя в группе ВКонтакте. А ещё — спасибо, если ты нажмёшь на одну из кнопочек «лайков»:
Вы можете оставить комментарий к докладу.
www.doklad-na-temu.ru
Реферат — Производство стали и чугуна и их применение
Производство железа
Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды-измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.
На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО2.
Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу- фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермична и вызывает повышение температуры выше 1700°С:
Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермична:
Железо,
образующееся при восстановлении руды,
загрязнено примесями песка и глинозема
(см. выше). Для их удаления в печь добавляют
известняк. При температурах,
существующих в печи, известняк подвергается
термическому разложению с образованием
оксида кальция и диоксида углерода:
Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:
Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.
Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки). В США существуют некоторые печи новой конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа. Такие печи имеют производительность до 10000 т в сутки.
Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.
Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.
Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С. Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть. Однако для многих применений его заменяют низкоуглеродистой сталью (см. ниже).
Химические реакции при выплавке чугуна из железной руды
В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.
Известно, что окись углерода можно получить, действуя кислородом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанавливается углеродом кокса в окись углерода:
Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:
Далее закись-окись железа восстанавливается в закись железа:
и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:
Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с увеличением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление железа происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8—10 см. Мелкую руду предварительно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.
Железо восстанавливается окисью углерода практически полностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и марганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав—жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.
Пустая
порода и зола топлива также должны быть
расплавлены. Для понижения температуры
плавления в состав «плавильных»
материалов вводят, кроме руды и кокса,
флюсы (плавни) — большей частью
известняк СаСО3 и доломит CaCO3×МgСО3.
Продукты разложения флюсов при нагревании
образуют с веществами, входящими в
состав пустой породы и золы кокса,
соединения с более низкими температурами
плавления, преимущественно силикаты
и алюмосиликаты кальция и магния,
например, 2CaO×Al
Химический состав сырья, поступающего на переработку, иногда колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при постоянных и наилучших условиях, сырьё «усредняют» по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая «офлюсованный агломерат». Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.
Производство стали
Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода. Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматриваются различные типы сталей, их свойства и применения.
Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургических центрах-Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделению энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.
В настоящее время всю сталь в Великобритании и большую часть стали во всем мире получают с помощью этого процесса.
Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным образом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.
Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выделяются в газообразном состоянии и в виде шлака.
Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:
Реакция идёт с выделением тепла.
Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:
Si+2FeO=SiO2+2Fe
Mn+FeO=MnO+Fe
C+FeO=CO+Fe
Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выделяется при окислении кремния.
Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содержание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.
После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо освободить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые «раскислители». Марганец реагирует с закисью железа и «сраскисляет» сталь:
Мп+FеО=МnО+Fe
Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время различными способами. Более старым, применённым впервые в середине XIX в. является способ Бессемера.
Способ
Бессемера.
По этому способу передел чугуна в сталь
проводится путём продувания воздуха
через расплавленный горячий чугун.
Процесс протекает без затраты топлива
за счёт тепла, выделяющегося при
экзотермических реакциях окисления
кремния, марганца и других элементов.
Процесс проводится в аппарате, который называется по фамилии изобретателя конвертером Бессемера. Он представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат работает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппарат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются железо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым дымом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интенсивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вносят раскислители.
Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 минут), поэтому производительность аппарата велика. Для проведения процесса не требуется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделывать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском процессе окисляется и теряется (велик «угар» железа).
Значительным усовершенствованием в производстве стали в конвертерах Бессемера является применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чистым кислородом («обогащённого воздуха»), что позволяет получать стали более высокого качества.
Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, получается посредством сжигания газообразного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.
Примеси, содержащиеся в шихте, окисляются свободным, кислородом топочных газов и кислородом, входящим в состав железной руды, окалины и ржавчины.
Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке находится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны расположены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и отвода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.
Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса — известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом «кипения», — движение пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.
В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для повышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного производства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор начинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.
В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.
Российскими учёными и сталеварами разработаны методы скоростного сталеварения, повышающие производительность печей. Производительность печей выражается количеством стали, получаемым с одного квадратного метра площади пода печи в единицу времени.
Производство
стали в электропечах. Применение электрической энергии в
производстве стали даёт возможность
достигать более высокой температуры
и точнее её регулировать. Поэтому в
электропечах выплавляют любые марки
сталей, в том числе содержащие тугоплавкие
металлы — вольфрам, молибден и др. Потери
легирующих элементов в электропечах
меньше, чем в других печах. При плавке
с кислородом ускоряется плавление
шихты и особенно окисление углерода
в жидкой шихте, Применение кислорода
позволяет ещё более повысить качество
электростали, так как в ней остаётся
меньше растворённых газов и неметаллических
включений.
В промышленности применяют два типа электропечей: дуговые и индукционные. В дуговых печах тепло получается вследствие образования электрической дуги между электродами и шихтой. В индукционных печах тепло получается за счёт индуцируемого в металле электрического тока.
Сталеплавильные печи всех типов — бессемеровские конвертеры, мартеновские и электрические — представляют собой аппараты периодического действия. К недостаткам периодических процессов относятся, как известно, затрата времени на загрузку и разгрузку аппаратов, необходимость изменять условия по мере течения процесса, трудность регулирования и др. Поэтому перед металлургами стоит задача создания нового непрерывного процесса.
Применения в качестве конструкционных материалов сплавов железа.
Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав-это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали | ||
Тип стали | Содержание углерода, % | Применения |
Низкоуглеродистая | 0,2 | Общее машиностроение: корпуса автомашин, проволока, трубы, болты и гайки |
Среднеуглеродистая | 0,3-0,6 | Балки и фермы, пружины |
Высокоуглеродистая | 0,6-1,5 | Сверла, ножи, молотки, резцы |
Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в таблице. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.
Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.
Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.
Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.
Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.
referat.store
Производство стали — реферат
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«АЛТАЙСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Филиал АлтГУ в г.Славгороде
Кафедра
гуманитарных и естественнонаучных
дисциплин
Реферат
По предмету: «Экономическое оснащение отрасли»
На тему:
«Производство стали (современные
способы)»
Славгород 2011
Содержание
Введение ………………………………………………………
1.Понятие «стали»,
ее классификация и применение…
2. Производство стали……………………………………………………6
2.1.Производство стали в конвекторах. ……………………………6
2.2.Производство
стали в мартеновских печах…………
2.3 Производство
стали в электрических печах………
3. Новые технологии
производства и обработки
Заключение……………………………………………………
Список используемой
литературы…………………………………….18
ВВЕДЕНИЕ
Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. Такие металлы, как железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец, нашли свое применение еще до нашей эры.
Металлы
относятся к числу наиболее распространенных
материалов, которые человек использует
для обеспечения своих
Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. Еще в середине 70х годов прошлого столетия академик Патон Б.Е. назвал двадцатый век «железным», не согласиться с ним невозможно. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.
Самым
важнейшим из сплавов железа является
его сплав с углеродом. Углерод
придает прочность сплавам
Современный
высокий уровень
Развитие
металлургии идет по пути дальнейшего
совершенствования плавки и разливки
металла, механизации и автоматизации
производства, внедрения новых прогрессивных
способов работы, обеспечивающих улучшение
технико-экономических
Современные
способы производства стали я постараюсь
раскрыть в этой работе.
1.ПОНЯТИЕ
«СТАЛЬ», ЕЕ КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ
Железо
и его сплавы являются основой
современной технологии и техники.
В ряду конструкционных металлов
железо стоит на первом месте и
не уступит его еще долгое время,
несмотря на то, что цветные металлы,
полимерные и керамические материалы
находят все большее
Самым
важнейшим из сплавов железа является
его сплав с углеродом. Углерод
придает прочность сплавам
Сталями
называют сплавы железа с углеродом,
содержание которого не превышает 2,14 %.
Сталь – важнейший
Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии.
Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.
Единой мировой классификации сталей нет. В зависимости от способа производства, химического состава, структуры, назначения и качества стали классифицируют:
По назначению: топочную и котельную, для железнодорожного транспорта, конструкционную, шарикоподшипниковую, инструментальную, рессорно-пружинную, трансформаторную, нержавеющую, орудийную, трубную и др.
По качеству: обыкновенного качества, качественная, и высококачественная.
По химическому составу: углеродистые, среднеуглеродистые, высокоуглеродистые, среднелегированные, высоколегированные; в том числе хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.
По характеру застывания стали в изложницах: спокойные, кипящие и полуспокойные.
По способу производства: 1) по типу агрегата – конвертерная ( в том числе кислородно-конверторная, бессемеровская, томасовская), мартеновская, электросталь, сталь электрошлакового переплава и т.д.;
2) по
технологии – основная и
3) по
состоянию – в твердом
В
современной металлургической промышленности
сталь выплавляют в основном в
трех агрегатах: конвекторах, мартеновских
и электрических печах.
2.ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
2.1. Производство стали в конверторах
Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.
При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.
По
характеру происходящей реакции
бессемеровский процесс можно разбить
на три периода. Первый период начинается
после пуска дутья в конвертор
и продолжается 3-6 мин. Образующаяся
закись железа частично растворяется
в жидком металле, способствуя дальнейшему
окислению кремния и марганца.
Эти реакции протекают с
Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Из чугуна почти полностью выгорает кремний, марганец и углерод и начинается очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.
Перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях углерод, кремний, марганец будут восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового проката.
Кислородно-конверторный процесс. Для интенсификации бессемеровского и томасовского процессов в последние годы начали применять обогащенное кислородом дутье. Введение в состав дутья смеси кислорода с водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.
Большой интерес представляет использование чистого кислорода для выплавки чугуна в глуходонных конверторах сверху с помощью водоохлаждаемых фурм.Производство стали кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается.
turboreferat.ru
Реферат — Производство чугуна и стали
ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Машиностроительный факультет
Кафедра «Резание, станки и инструмент»
РЕФЕРАТ
«Технология производства чугуна и стали»
Студент: Сергеев Андрей
Группа: М – 104
Преподаватель: МалышевВ.И.
Тольятти — 1999 г.
1.Производство чугуна и стали.
Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древниевремена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливаяего из губчатого железа, ударами молота. По мере развития техники производства железа постепенно повышаласьтемпература, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; сталовозможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалосьсодержание углерода и других примесей, — металл становился хрупким и нековким.Так появился чугун. Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатыйспособ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящеговремени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, входе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела,приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей. Современный высокий уровень металлургического производства основан натеоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и набогатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русскимученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ длядоменной плавки.2.Производство чугуна.
2.1. Исходные материалы.
Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна вдоменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железов таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.
Железная руда состоит изрудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы,силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита илипесчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка.
В зависимости от рудноговещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, ибедными, которых подвергают обогащению.
В доменном производствеприменяют разные железные руды.
Красный железняк(гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разнуюокраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %)и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.
Бурый железняксодержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа.Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистаяиногда кремнисто-глиноземистая.
Магнитный железняк содержит40-70% железа в виде закиси-окиси железа.
руда обладает хорошовыраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различнымиоттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов.Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.
Шпатовый железняк(сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железнякесодержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет.Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд онобладает наиболее высокой восстановимостью.
Марганцевые рудысодержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют вшихту для повышения в чугуне количества марганца.
2.2. Производство чугуна в доменной печи.
Выплавка чугуна производится в огромных доменныхпечах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты привнутреннем диаметре около 12 м.
Разрез доменной печисхематически изображен на рисунке.
/>
Верхняяее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником,которая закрываетсяподвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самаяширокая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Черезспециальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздухили кислород.
Доменную печь загружаютсначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – этоопределенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение инеобходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горнподогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу,расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам черезфурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса,взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода ивосстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.
Процесс восстановленияруды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразитьсуммарным уравнением:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксидкремния SiO2.
Это – тугоплавкое вещество.Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к рудедобавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействииего с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.
Привосстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оноопускается в более горячую часть печи – распар — и растворяет в себе углерод;образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкиешлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун ишлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальноевремя глиной.
Выходящие из отверстияпечи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах,предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и коксаопускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляетсяподъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку,закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает впечь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребуеткапитального ремонта.
Процесс выплавки может быть ускорен путем примененияв доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенногокислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит,отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процессупрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшаетсярасход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требуеткокса на ¼ меньше чем обычная.
3Производство стали.В стали по сравнению с чугуном содержится меньшеуглерода, кремния, серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимоснизить концентрацию веществ путем окислительной плавки.
Всовременной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трехагрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах.
3.1.Производство стали в конверторах.Конвертор представляет собой сосуд грушевиднойформы. Верхнюю часть называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, черезкоторую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическуюформу. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяютновым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатыйвоздух.
Емкостьсовременных конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна,составляет 350 кубометров.
Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают догоризонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровнязалитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение иодновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстияфурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгораюткремний, марганец, углерод и частично железо.
Придостижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают вгоризонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляюти выливают в ковш.
Бессемеровскийпроцесс. В конвертор заливают жидкийчугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше),марганца (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.
По характеру происходящей реакции бессемеровскийпроцесс можно разбить на три периода. Первый период начинается после пускадутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе сгазами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот периодокисляются кремний, марганец и частично железа по реакциям:
Si + O2 =SiO2,
2Mn + O2 =2MnO,
2Fe + O2 =2FeO.
Образующаясязакись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшемуокислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большогоколичества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50%SiO2).
Второй период начинается после почти полноговыгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, чтосоздаются благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO, которая протекает с поглощением тепла.Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижениемтемпературы жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе.Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.
Помере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается иначинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением надгорловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почтиполностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильноеокисление железа. Третий период продолжается не более 2 – 3 мин, после чегоконвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводятраскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержаниякислорода в металле. В металле происходят реакции
FeO + Mn = MnO + Fe,2FeO + Si = SiO2 +Fe,
3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.
Готовую сталь выливают изконвектора в ковш, а затем направляют на разливку.
Чтобыполучить сталь с заранее заданным количеством углерода (например, 0,4 – 0,7%С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него углерод еще невыгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а затем добавитьопределенное количество чугуна или содержащих углерод определенное количествоферросплавов.
Томасовский процесс. В конвертор сосновной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливаютчугун, содержащий 1,6-2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе образуется известковый шлак,необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвектора жидкимчугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и вбессемеровском процессе.В первый период продувки в конвекторе окисляетсяжелезо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот периодтемпература металла несколько повышается.Во второй период продувки выгорает углерод, чтосопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержаниеуглерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступаеттретий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор2P+ 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.В результате окисления фосфор переходит изметалла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем.Томасовские шлаки содержат 16 – 24% Р2О5.Данная реакция сопровождается выделениемзначительного количества тепла, за счет которого происходит более резкоеповышение температуры металла. Перед раскислением металла из конверторанеобходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях углерод, кремний,марганец будут восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл.Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки исортового проката.Кислородно-конверторный процесс. Дляинтенсификации бессемеровского и томасовского процессов в последние годы началиприменять обогащенное кислородом дутье.При бессемеровском процессе обогащения дутьякислородом позволяет сократить продолжительность продувки и увеличитьпроизводительность конвертора и долю стального скрапа, подаваемого вметаллическую ванну в процессе плавки. Главным достоинством кислородного дутьяявляется снижение содержания азота в стали с 0,012-0,025(при воздушном дутье)до 0,008-0,004%(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислородас водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровскойстали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.
Большойинтерес представляет использование чистого кислорода для выплавки чугуна вглуходонных конверторах сверху с помощью водоохлаждаемых фурм.
Производствостали кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается.
3.2.Производство стали в мартеновских печах.
В мартеновских печах сжигают мазут или предварительноподогретые газы с использованием горячего дутья.
Печь имеет рабочее (плавильное) пространство идве пары регенераторов(воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газыи воздух проходят через нагретую до 1200°С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналамнаправляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чеготемпература под сводом достигает 1680-1750°С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую парурегенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают вкотлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой парырегенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через нихгазы и воздух до 1100° С, левая парарегенераторов нагревается примерно до 1200-1300°С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Этообеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха. Большинство мартеновских печей отапливают смесьюдоменного, коксовального и генераторного газов. Также применяют и природныйгаз. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только длянагрева воздуха. Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы)загружают в печь наполненной машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, расплавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве приконтакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают изпечи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На времяплавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной. Процесс плавки в мартеновских печах может бытькислым или основным. При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена издинасов ого кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком иремонтируют после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак сбольшим содержанием кремнезема (42-58%).При основном процессе плавки подину и стенки печивыкладывают из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитовогокирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком иремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак сбольшим содержанием 54 – 56% СаО.Основной мартеновский процесс. Передначалом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун,стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки впечь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтойвводится в плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чегошихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем болеекрупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы металла). После прогревазагруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумятремя порциями.Этот порядок загрузки материалов позволяет ихбыстро прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки шихты зависит отемкости печи, характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 – 3 ч.В период загрузки и плавления шихты происходитчастичная окисление железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганцаи образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала за счеткислорода печных газов и руды, а затем за счет закиси железа растворенной вшлаке. Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла исодержит 10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. Послеобразования шлака жидкий металл оказывается изолированным от прямого контакта сгазами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этихусловиях переносится закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке.Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ееконцентрации в металле.Для более интенсивного питания металлическойванны кислородом в шлак вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле,окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод по реакциям, рассмотренным выше.К моменту рас плавления всей шихты значительнаячасть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количествозакиси железа и извести. Во избежание обратного перехода фосфора в металл передначалом кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи.После скачивания первичного шлака в печьзагружают известь для образования нового и более основного шлака. Тепловаянагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешлав шлак, а температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15– 20 мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окисловжелеза в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода[C]+ (FeO) = Coгаз.Образуется окись углерода выделяется из металла ввиде пузырьков, создавая впечатление его кипения, что способствуетперемешиванию металла, выделение металлических включений и растворенных газов,а также равномерному распределению температуры по глубине ванны. Для хорошегокипения ванны необходимо подводить тепло, так как данная реакция сопровождаетсяпоглощением тепла. Продолжительность периода кипения ванны зависит от емкостипечи и марки стали, и находится 1,25 – 2,5 ч и более.
Обычножелезную руду добавляют в печь в первую периода кипения, называемого полировкойметалла. Скорость окисления углерода в этот период в современных мартеновскихпечах большой емкости равна 0,3 – 0,4% в час.
Втечение второй половины периода кипения железную руду в ванну не подают. Металлкипит мелкими пузырьками за счет накопленных в шлаке окислов железа. Скоростьвыгорания углерода в этот период равна 0,15 – 0,25% в час. В период кипения,следя за основностью и жидкотекучестью шлака.
Когдасодержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем требуется дляготовой стали, начинается последняя стадия плавки – период доводки ираскисления металла. В печь вводят определенное количество кусковогоферромарганца (12% Mn), а затем через 10 – 15 мин ферросилиций (12-16% Si).Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, врезультате чего реакция окисления углерода приостанавливается. Внешнимпризнаком освобождения металла от кислорода является прекращение выделенияпузырьков окиси углерода на поверхности шлака.
Приосновном процессе плавки происходит частичное удаление серы из металла пореакции
[FeS] + (CaO) = (CaO) + (FeO).
Для этого необходимы высокая температура идостаточная основность шлака.
Кислыймартеновский процесс. Этот процесссостоит из тех же периодов, что и основной. Шихту применяют очень чистую пофосфору и сере. Объясняется это тем, что образующийся кислый шлак не можетзадерживать указанные вредные примеси.
Печиобычно работают на твердой шихте. Количество скрапа равно 30 – 50%массы металлической шихты. В шихте допускается не более 0,5% Si.Железную руду в печь подавать нельзя, так как она может взаимодействовать скремнеземом подины и разрушать ее в результате образования легкоплавкогосоединения 2FeO*SiO2. Для получения первичного шлака в печь загружаютнекоторое количество кварцита или мартеновского шлака. После этого шихтанагревается печными газами; железо, кремний, марганец окисляются, их окислысплавляются с флюсами и образуют кислый шлак, содержащий до 40 –50 % SiO2. В этом шлаке большая часть закиси железа находится всиликатной форме, что затрудняет его переход из шлака в металл. Кипение ваннойпри кислом процессе начинается позже, чем при основном, и происходит медленнеедаже при хорошем нагреве металла. Кроме того, кислые шлаки имеют повышеннуювязкость, что отрицательно сказывается на выгорании углерода.
Таккак сталь выплавляется под слоем кислого шлака с низким содержанием свободнойзакиси железа, этот шлак защищает металл от насыщения кислородом. Передвыпуском из печи в стали содержится меньше растворенного кислорода, чем встали, выплавленной при основном процессе.
Дляинтенсификации мартеновского процесса воздух обогащают кислородом, который подаетсяв факел пламени. Это позволяет получать более высокие температуры в факелепламени, увеличивать ее лучеиспускательную способность, уменьшать количествопродуктов горения и благодаря этому увеличивать тепловую мощность печи.
Кислород можно вводитьи в ванну печи. Введение кислорода в факел и в ванну печи сокращает периодыплавки и увеличивает производительность печи на 25-30%. Изготовлениехромомагнезитовых сводов вместо динасовых позволяет увеличивать тепловуюмощность печей, увеличить межремонтный период в 2-3 раза и повыситьпроизводительность на 6-10%.
3.3. Производство стали в электрических печах.
Для выплавки стали используют электрические печидвух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получилиболее широкое применение в металлургической промышленности.
Дуговыепечи имеют емкость 3 — 80 т и более. На металлургических заводах устанавливаютпечи емкостью 30 –80 тонн. В электрических печах можно получать очень высокиетемпературы (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрациейтугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл отвредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум(индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.
Нагреваниеи расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремяэлектрическими дугами. Электрические дуги образуются в плавильном пространствепечи между вертикально подвешенными электродами и металлической шихтой.
Дуговаяпечь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух цилиндрическойформы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод сотверстиями для электродов; механизм для закрепления вертикального перемещенияэлектродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющийповорачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна дляскачивания шлака.
Всталеплавильных печах применяют угольный и графитированные электроды. Диаметрэлектродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет 350 – 550 мм.В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенноопускают и в необходимых случаях наращивают сверху.
Технологиявыплавки стали в дуговых печах. Вэлектрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированнуюсталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердуюшихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали сокислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технологияплавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавкистали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины впечь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше,чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. Наподину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладыватьшихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в местенахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружаютмульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости черезсвод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихтыэлектроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижниеконцы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.
Приплавки стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительныйпериоды.
Вовремя окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец,фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром,титан, и образуется первичный шлак. Реакция окисления такие же, как и приосновном мартеновском процессе. Фосфор из металла удаляется в течение первойполовины окислительного периода, пока металл в ванне сильно не разогрелся.Образовавшийся при этом первичный фосфористый шлак в количестве 60 – 70%удаляют из печи.
Дляполучения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь идругие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичногошлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Дляинтенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество железнойруды или окалины и шлакообразующих веществ.
Вовремя кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает,растворенные газы и неметаллические включения удаляются. При этом отбираютпробы металла для быстрого определения в нем содержания углерода и марганца ипробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.
Послеудаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисленияуглерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печьвводят куски графитовых электродов или кокс.
Ввосстановительный период плавки раскисляют металл, переводят максимальновозможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла дозаданного и подготовляют его к выпуску из печи.
Восстановительныйпериод плавки в основных дуговых печах при выплавке сталей с низким содержаниемуглерода проводится под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавкевысокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.
Дляполучения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую из извести иплавикового шпата. Через некоторое время на поверхности образуется слой шлака сдостаточно высокой концентрацией FeOи MnO. Пробышлака имеют темный цвет.
Передраскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковуюсмесь, состоящей из кусковой извести, плапикового шпата, молотого древесногоугля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnOпонижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинаетпереходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концувосстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, подвлиянием которого содержание FeOв шлаке понижается. В белом шлакесодержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, чтопозволяет эффективно удалять серу из металла.
Вовремя восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые добавки, втом числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.
Выплавкастали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процессапроисходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружаюткарбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикого шпата. Привысоких температурах протекает реакция
CaO + 3C = CaC2 + CO.
Образующийся карбид кальция увеличиваетраскислительную и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускоренияобразования карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлаксодержит 55 –65% СаО и 0,3 – 0,5% FeO; он обладаетнауглероживающей способностью.
При выплавке стали методом переплава, в печь незагружают железную руду; условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоитиз легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзябудет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 –15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печине удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V),которые переходят из шлака в металл.
Устройство и работа индукционных печей.Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленномуметаллу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор:имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного токасоздается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печипеременный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл.Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.
В немагнитном каркасе имеются индуктор и огнеупорныйплавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определеннымчислом витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода.Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный токвырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора киндуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных шин. Мощность ичастота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава шихты. Обычно виндукционных печах используется ток частотой 500 – 2500 гц. Крупные печиработают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 – 1,4квт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основныхогнеупорных материалов.
В индукционных печах сталь выплавляют методомпереплава шихты. Угар легирующих при этом получается очень небольшим. Шлакобразуется при загрузке шлакообразующих компонентов на поверхностьрасплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температурыметалла, так как шлак не обладает магнитной проницаемости и в нем неиндуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторонусливного носка.
В индукционных печах нет углерода, поэтому металл ненауглероживается. Под действием электромагнитных сил металл циркулирует, чтоускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи применяют для выплавкивысоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкоесодержание углерода и кремния.
4. Новыеметоды производства и обработки стали.
Электроннолучевая плавка металлов. Дляполучения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку.Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов,получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металлнаправляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.
Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ:электронные лучи позволяют получить высокую плотность энергии нагрева,регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплаваматериалом тигля и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленногометалла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создаютэффективные условия для очистки металла от различных примесей.
Электрошлаковый переплав. Очень перспективнымспособом получения высококачественного металла является электрошлаковыйпереплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят черезслой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком инаправленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовкеснижается на 30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза.
Вакуумирование стали. Для получениявысококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слиткесодержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительноуменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке иразливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытойкамере, из которой удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование сталипроизводится в ковше перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаютсятогда, когда сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же в вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционныхпечах.
Рафирование стали в ковше жидкими синтетическимишлаками. Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы,кислорода и неметаллических включений производится при интенсивномперемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком,приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработкижидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращенияпериода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может бытьувеличена на 10 – 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками,по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрическихпечах.
Список используемой литературы.
1. «Технологияметаллов и других конструкционных материалов» В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я.Никонов Издание второе.
2. «Общая химия» Н.Л. Глинка Изданиедвадцать третье.
3. «Металлургия» А.П. Гуляев 1966год.
www.ronl.ru
Доклад — Производство стали — Промышленность, производство
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИСтали железоуглеродистыесплавы, содержащие практически до 1,5% углерода. Кроме углерода, сталь всегдасодержит в небольших количествах постоянные примеси: марганец (до 0,8 %),кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %), что связано сособенностями технологии ее выплавки. В технике широко применяют такжелегированные стали, в состав которых для улучшения качества дополнительновводят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марокуглеродистых и легированных сталей—конструкционных, инструментальных,нержавеющих и т. д.
Разработанонесколько способов получения стали из чугуна.
Первымиспособами получения стали из чугуна были кричный (12- 13 века), пудлинговый(конец 18 века), бессемеровский (1856 г.), томассовский. Их недостаткамиявляются невысокое качество стали и ограниченность сырьевой базы, так как можнобыло использовать лишь некоторые чугуны ( с определенным содержанием кремния,серы и фосфора).
Примернос начала 20 – го столетия массу стали выплавляли мартеновским способом(открытие 1864 г)- менее производительным, но позволяющим выплавлять болеекачественную сталь.
В50-х годах 20 столетия появился кислородно — конвертерный процесс.
Однимиз прогрессивных способов получения сложных и высоколегированных сталейявляется электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционныхпечах.
Стальособо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а такжепутем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой плавки.
Кислородно- конвертерный процесс
Сущностькислородно –конвертерного процесса заключается в том, что налитый в плавильныйагрегат (конвертор) расплавленный чугун продувают струей кислорода воздуха.Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается всталь.
Этотпроцесс осуществляется в конверторе, схема которого представлена на рис.
/>
Рисунок. Схема кислородногоконвертора:
1 — глуходонный конвертор; 2—фурма для вдувания кислорода; 3— летка для слива стали
Его грушевидный корпус (кожух) сварениз листовой стали, внутри он футерован основным огнеупорным материалом ( укожуха магнезит или хромомагнезит, внутренний- рабочий слой – доломитосмолянаямасса или кирпич).
Конвертор устанавливают на опорныхстанинах при помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг оси, что необходимодля заливки чугуна и других технологических операций, рис. .
/>
Рисунок. Технологические операциикислородно-конверторной плавки:
1- загрузка стального скрапа; 2 — заливка расплавленного чугуна; 3— продувка кислородом; 4 — загрузкаизвести и железной руды с началом продувки и по ходу плавки; 5 — выпускметалла; 6— выпуск шлака
Вместимость современных конвертеровдостигает 250 — 400 т.
Перед старыми способами получениястали бессемеровский способ имел два неоспоримых преимущества — очень высокуюпроизводительность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеровскогопроцесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатыватьсяэтим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металлатакие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.
Кислород вдувают в конвертервертикальной трубчатой водоохлаждаемой фурмой, опускаемой в горловинуконвертера, но не доходящей до уровня металла на 1200—2000 мм. Таким образом,кислород не продувается через слой металла (как воздух в старых конвертерныхпроцессах), а подается на поверхность залитого в конвертер металла. Это даетвозможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также нетолько вводить в конвертер жидкий металл, но и добавлять к нему для охлажденияскрап или железную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30% мессы металла).
Началом очередного цикла вкислородном конвертере служит завалка в него лома и других металлическихотходов; на некоторых заводах в конвертор вводят железную руду. После введенияэтих добавок в конвертер начинают заливать жидкий чугун, подвозимый из миксерав чугуновозных ковшах. После того как металл займет 1/5 объема конвертера,загружают известь, необходимую для связывания фосфора; в конвертор опускаютводоохлаждаемую фурму и подают в нее технический кислород. В конвертереначинается интенсивный процесс окисления металла кислородом, который преждевсего, встречаясь с частичками железа, окисляет их по реакции
/>
Кроме железа, окисляются и примеси,но окисление их может происходить не только кислородом, но и перешедшей в шлакзакисью железа по реакциям
/>
В уравнениях реакций химическиеэлементы, находящиеся в металле, заключены в квадратные скобки, а находящиесяв шлаке, — в круглые.
Все эти реакции протекают вконвертере с кислородным дутьем одновременно, причем последняя реакцияспособствует перемешиванию металла.
После 15—16-минутной продувкиподнимают фурму, наклоняют конвертер, берут пробу металла на анализ и скачиваютбольшую часть шлака; это занимает 7—8 мин; за это время экспресс-анализомопределяют основные параметры стали, затем конвертер вновь ставят ввертикальное положение, опускают фурму и вторично продувают кислородомнесколько минут в зависимости от данных анализа и заданной марки стали.
В это время продолжаются реакцииокисления и интенсивно идут реакции шлакообразования
/>
и многие другие физико-химическиепроцессы; в конце вторичной продувки в конвертер вводят раскислители (ферромарганец и ферросилицием). Марганец и кремний реагируют с раствореннымкислородом; их окислы образуют с окислами железа жидкую шлаковую фазу, чтопомогает вывести продукты раскисления из металла.
Затем фурму вновь поднимают, конвертер наклоняют, берутконтрольную пробу металла, термопарой погружения измеряют его температуру,после чего сталь выпускают через боковую летку в разливочный ковш; после сливаметалла скачивают оставшийся шлак и заделывают выпускное отверстие. Весь технологический цикл плавки занимает 50—60 мин, а продолжительность продувкикислородом — 18—30 мин.
Недостатком кислородно-конвертерногоспособа получения стали является большое пылеобразование, обусловленноеобильным окислением и испарением железа; угар металла составляет 6—9 %, чтозначительно больше, чем при других способах получения стали. Это требуетобязательного сооружения при конвертерах сложных и дорогих пылеочистительныхустановок.
Производствостали в мартеновских печах
Мартеновскийпроцесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами отцом Э. Мартеном исыномП. Мартеном.
Мартеновская печь (рис. ) поустройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью.
/>
Рисунок… Схема мартеновской печи:
1, 2 — газовые и воздушныерегенераторы; 3,4 -газовые и воздушные каналы в головке печи; 5 — рабочее пространство печи; 6 -подина печи; 7 — свод печи; 8 -завалочные окна
В ееплавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокаятемпература для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерациейтепла печных газов.
Рабочееплавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной иоткосами; сверху — сводом; с боков — передней и задней стенками; с торцов — головками. В передней стенке расположены окна, через которые в печь загружаютисходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробыметалла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками сосмотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие,расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотнозабивают малоспекающимися огнеупорными материалами.
Дляболее полного использования тепла отходящих газов в системе газоотводовустановлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненныхнасадкой из огеупорного кирпича.
Принципрегенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторовнекоторое время нагревается до 1250 – 1300 оС отходящими из печигазами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняетсяавтоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печиподается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до1100- 1200 оС. В это время другая пара регенераторов нагревается,аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов доустановленной температуры снова происходит автоматическое переключениеклапанов.<sup/>
Основнымиматериалами для выплавки стали являются передельный чугун марок М1, М2, М3 истальной скрап.
Стальнойскрап – отходы при прокатке (до 10-12 % от массы слитка), при ковке и штамповке(грат, обсечки и др), стружка – при обработке на металлорежущих станках. Вкачестве скрапа широко используют также пришедшие в негодность различныестальные изделия, детали и т.п. Стружку и мелкий скрап до загрузки вмартеновскую печь прессуют, превращая в пакеты.
При выплавкестали используют известняк (флюс), железную руду и другие добавки. Дляраскисления и легирования применяют ферромарганец и другие сплавы.
Получениестали в электрических печах
Этотпроцесс является более совершенным, так как легко регулируется тепловойпроцесс, можно создавать окислительную, восстановительную, нейтральнуюатмосферу или вакуум, легче осуществляется легирование стали. В дуговых печахвыплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные,нержавеющие, жаропрочные и другие стали.
Для производства стали наиболее часто применяют дуговые трехфазныеэлектрические печи с вертикальными графитированными электродами и непроводящимподом. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепиэлектрод—дуга—шлак—металл—шлак—дуга— электрод. Вместимость таких печейдостигает 400 т.
Печь состоит из металлического кожухацилиндрической формы и сферического дна (рис. ). Подобно мартеновским, дуговыепечи могут быть кислыми и основными. В основных печах подину выкладывают измагнезитового кирпича, сверху которого наносят набивной слой из магнезита плидоломита (150—200 мм). В кислых печах применяют динасовый кирпич и набивку изкварцита на жидком стекле.
/>
Рис. . Схема дуговой электропечи
1 — выпускной желоб; 2 — дверка; 3 -свод; 4— три электрода; 5 — опорные ролики; 6— металл; 7 — электродвигатель для наклона печи
В цилиндрической части печи имеетсярабочее окно и выпускное отверстие с желобом. Электрические печи имеютмеханизмы для наклона печи на 40—45° в сторону выпускного отверстия для сливаметалла и на 10—15° в сторону рабочего окна для скачивания шлака. Свод печиобычно сферический, и через него опускают в печь три цилиндрических электрода.Рядом с печью помещены механизмы для подъема электродов и понижающий трансформатор,питающий печь электроэнергией. Мощность трансформатора зависит от размеров иемкости печи. Например, 10-тонные печи имеют трансформатор мощностью 3,5 MB-А, а 250-тонные печи— трансформатормощи остью 65 MB- A. Трансформатор печи имеет на низкой стороне несколько ступенейнапряжения (3—12), переключая которые, можно регулировать энергетическуюнагрузку электродов.
Небольшие печи загружают через окно(с помощью мульд и завалочной машины), а печи емкостью более 5 т, как правило,через свод (с помощью загрузочной бадьи или сетки).
На 1 т выплавляемой углеродистойстали расходуется 500—700 кВт-ч, на 1 т легированной стали —до 1000 кВт-ч.
Выплавка стали в индукционных печах
Выплавку стали в индукционных печахприменяют в черной металлургии значительно реже, чем в дуговых, и используютобычно печи без железного сердечника, состоящие из индуктора в виде катушки (измедной трубки, охлаждаемой водой), которая служит первичной обмоткой, окружающейогнеупорный тигель, куда загружают плавящийся металл, рис. .
/>
Рисунок.. Схема индукционной печи для выплавки стали:
1-тигельиз огнеупорных материалов; 2 — водоохлаждаемый индуктор; 3 — желоб для выпуска плавки; 4- сталеразливочный ковш; 5- металл; 6 — вихревыетоки
При пропускании тока через индуктор вметалле, находящемся в тигле, индуктируются мощные вихревые токи, чтообеспечивает нагрев и плавление металла. Шихтовые материалы загружают сверху.Для выпуска плавки печи наклоняют в сторону сливного желоба. Так как виндукционных печах теплота возникает в металле, шлак в них нагревается толькочерез металл. Вместимость современных индукционных печей достигает в отдельныхслучаях 15 т.
Плавку проводят методом переплава,используя отходы соответствующих легированных сталей или чистый по сере ифосфору углеродистый скрап и ферросплавы. В конце периода плавления на металлзагружают флюс, необходимый для образования шлакового покрова. В кислых печахв качестве флюса используют бой стекла и другие материалы, богатые SiO2. В основных печах применяют известь и плавиковыйшпат. Шлаковый покров защищает металл от окисления и насыщения газамиатмосферы, уменьшает потери тепла.
Крупные печи могут работать напеременном токе с промышленной частотой 50 периодов; для более мелкихнеобходимы генераторы, работающие на частоте 500—2500 периодов в секунду.Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, таккак окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно. Эти печис успехом используют для переплавки чистых легированных сталей, так как высокаятемпература, возможность работы в вакууме и отсутствие науглероживания металлаэлектродами дают возможность получить в них стали с малым содержанием углеродаи различные сложные сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.
Получение стали в дуговыхэлектрических печах имеет неоспоримые преимущества, важнейшие из которых —очень высокое качество получаемой стали, возможность выплавлять любые маркистали, включая высоколегированные, тугоплавкие и жаропрочные. Электрическиепечи обеспечивают минимальный угар железа по сравнению с другимисталеплавильными агрегатами и, что особенно важно, минимальное окислениедорогостоящих легирующих присадок благодаря нейтральной атмосфере в печи.Следует отметить удобство регулирования температурного режима и легкостьобслуживания этих печей.
Недостатком выплавки стали в дуговыхэлектрических печах является потребность в большом количестве электроэнергии ивысокая стоимость передела, так как на 1 т стали при твердой завалке расходуют600—950 кВт-ч электроэнергии. Поэтому дуговые электрические печи покаприменяют главным образом для получения высоколегированных и других дорогихсортов стали, предназначенных для ответственных изделий.
Контрольные вопросы
1. Какое влияние оказывает углерод насвойства стали?
2. Расскажите о влиянии серы ифосфора на свойства стали.
3. Расскажите о влиянии углерода ислучайных примесей на свойства углеродистой стали.
4. По каким признакам классифицируютстали?
www.ronl.ru