|
Способы производства стали
Категория:
Технология металлов Способы производства стали
Далее: Углеродистые стали Основным материалом для производства железа и стали является в настоящее время передельный доменный чугун. Около 90% всего получаемого в доменных печах чугуна перерабатывается на железо и сталь. В то время, когда развитие железоделательного производства было еще в зачаточном состоянии (XII—XIII в.), железо изготовляли в примитивных сыродутных горнах путем непосредственного восстановления железной руды древесным углем. Железо получалось в тестообразном состоянии и содержало много шлаков. Начало переработки чугуна на железо и сталь относится к XIV в., когда для этой цели применяли так называемые кричные горны. Производимое в таких горнах железо получало название кричного, или сварочного, железа. Во второй половине XVII в. возник способ переработки чугуна на сварочное железо в отражательных пламенных печах. Производительность печей такого типа была так. же невысокой и составляла 500—600 кг за 12—15 час. работы. Переработка чугуна на сталь в конвертерах. Производство сварочного железа сохранилось до середины XIX в. Жидкая сталь получалась в это время путем переплавки сварочного железа с добавкой углерода в тиглях (тигельная сталь). В течение 1854—1856 гг. Бессемером был разработан новый способ получения жидкой стали из чугуна. Сущность этого способа заключается в том, что через расплавленный доменный чугун продувается воздух и кислород воздуха окисляет примеси чугуна непосредственно и через закись железа. Реакция окисления железа и примесей (Mn, Si) проходит с выделением тепла (экзотермически), и температура чугуна по мере выгорания примесей не понижается, а, наоборот, повышается до 1600°. Эта температура превышает температуру плавления стали, и к моменту окончания процесса окисления сталь остается жидкой. Производство литой стали по этому способу (бессемерование) осуществляется в специальных аппаратах (конвертерах), представляющих собой грушевидный сосуд из листового железа, выложенный внутри кислым огнеупорным материалом—динасом. В отъемном днише конвертера имеются отверстия для продувки воздуха (фурменные отверстия). Воздух подается под давлением до 2,0 атм. Конвертер с помощью червячной передачи может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Положение его в различных стадиях процесса показано на рис. 1. Емкость современных конвертеров равна 25—35 т жидкого чугуна. Переработке в бессемеровском конвертере с кислой футеровкой, или, как говорят, кислому конвертированию, подвергаются передельные доменные чугуны (бессемеровские), содержащие небольшое количество кремния (0,9—1,6%) и марганца (0,6—1,2%) и практически не содержащие фосфора и серы (марки Б1). В процессе продувки чугуна в конвертере различают три периода:
Рис. 1. Бессемеровский конвертер (общий вид и положение при заливке, продупкз и выпуске (схема)) Таким образом, весь процесс окисления примесей длится 10—12 мин. Полученная в конвертере в конце третьего периода жидкая сталь содержит большое количество кислорода в виде закиси железа и не может быть применена для изготовления полуфабрикатов или отливок, так как присутствие в ней кислорода придает стали хрупкость и красноломкость. Кроме того, состав полученной стали не всегда соответствует составу, требующемуся по ГОСТ. Таким образом, вслед за третьим периодом конвертирования наступает период раскисления жидкой стали, целью которого является извлечение растворенного в ней кислорода. Длительность этого периода 2—4 мин. Раскисление жидкой стали достигается добавкой в нее элементов, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо, и образующих нерастворимые в железе окислы. Эти окислы или переходят в шлак или удаляются в виде газа (СО). В качестве раекислителей применяют доменные ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец и зеркальный чугун. Сталь после раскисления сливается из конвертера в ковш и разливается по изложницам. Таким образом, весь процесс производства литой стали путем конвертирования продолжается 14—16 мин. Наиболее отличительной особенностью получения литой стали в конвертере является то, что тепло, необходимое для поддержания стали в расплавленном состоянии, получается не за счет сжигания какого-либо вида топлива, а вследствие того, что реакции окисления железа и примесей идут с выделением тепла (экзотермически). Кислому конвертированию подвергаются чугуны, в которых содержание серы и фосфора не превышает 0,05—0,06% каждого элемента. Это объясняется тем, что при кислой футеровке конвертера эти примеси не шлакуются, так как окислы фосфора в жидком шлаке вновь восстанавливаются и переходят в сталь. Наличие же в стали серы и фосфора в пределах свыше 0,02— 0.04% для многих сортов стали признается недопустимым, так как эти примеси сообщают стали хладноломкость и красноломкость, т. е. хрупкость при пониженных и повышенных температурах. Переработка путем конвертирования на сталь доменных чугунов, содержащих значительное количество фосфора (до 2,20%), была осуществлена в 1877 г. С. Д. Томасом. Особенностью применяемого в этом случае конвертера является основная, доломитовая, футеровка, а отличием самого процесса конвертирования является загрузка в конвертер .вместе с жидким чугуном и определенного количества извести. Наличие извести приводит к образованию основных шлаков и к связыванию окислившегося фосфора в прочное соединение (СаО)4’Р205, уходящее в шлак. Конструкция основного конвертера незначительно отличается от конструкции кислого конвертера. Процесс получения стали в основном конвертере (томасовский процесс) также характеризуется наличием трех периодов. Полученная сталь раскисляется введением ферросилиция и ферромарганца. Период раскисления длится 2—4 мин. Готовая сталь сливается в ковши и разливается в изложницы. Шлаки основного процесса конвертирования содержат до 20% фосфорного ангидрида (Р2О5) и применяются в качестве минеральных удобрений. Сталь, полученная путем кислого конвертирования (бессемеровская), находит применение как сталь „обыкновенного качества для изготовления рельсов, балок, труб, болтов и других изделий различного профиля. Бессемеровская сталь обладает повышенной твердостью, сопротивлением износу, хорошо сваривается и обрабатывается. Томасовская сталь содержит больше закиси железа, чем бессемеровская. Из нее изготовляют кровельное железо, проволоку и профиль. В настоящее время производство стали методом конвертирования не превышает 10—12% от общего количества производимой стали. На некоторых машиностроительных заводах жидкую сталь для изготовления стальных фасонных отливок получают в кислых конвертерах малого объема— 1,5—3,0 т (малое бессемерование). Особенностью этого конвертера является то, что воздух подводится к нему не через днище, а через боковую стенку; это способствует лучшему сгоранию окиси углерода и повышению температуры стали. В настоящее время конвертерная сталь высокого качества получается,при продувке чугуна чистым кислородом сверху. На рис. 2 показана конвертерная печь с основной футеровкой для получения стали томасовским способом продувкой кислородом сверху. Производство стали в мартеновских печах. Как указывалось ранее, основным недостатком стали, получаемой путем кислого или основного конвертирования, является повышенное содержание в ней кислорода и связанное с этим понижение механических свойств. Таким образом, для изготовления многих ответственных изделий (пружины, инструмент, детали, работающие на удар, и др.) эта сталь оказалась непригодной. в 1864 г. было положено начало производства литой стали на поду пламенной (мартеновской) печи. В настоящее время свыше 80% всей стали получают этим способом. Производство стали в мартеновских печах является также окислительным процессом, однако в этом случае окисление происходит не непосредственно воздухом, проходящим через всю толщу расплавленного металла, как это имеет место в процессе конвертирования, а через шлак, изолирующий расплавленный металл от непосредственного взаимодействия с кислородом воздуха. Это обеспечивает возможность лучшего регулирования хода процесса плавки, уменьшает угар металла и способствует повышению качества стали. Пламенная мартеновская печь является печью периодического действия, нагреваемой при помощи сжигания газа или мазута. Газ, а также воздух, необходимый для его сжигания, предварительно подогреваются в специальных приспособлениях — регенераторах — до температуры 1100°. Поэтому мартеновская печь называется регенеративной. Смешиваясь у входа в плавильное пространство печи, газы образуют большой факел пламени, способствующий быстрому нагреву самой печи и находящихся в ней шихтовых материалов. Отходящие печные газы проходят через вторую пару регенераторов и нагревают их до температуры 1100—1200°. Изменяя периодически направления факела горения в печи, можно обеспечить в ней длительное время температуру 1600—1700°, вполне достаточную для поддержания стали в расплавленном состоянии. Регенераторы представляют собой кирпичную решетчатую насадку из огнеупорного материала. Они располагаются ниже уровня пода печи, обычно по два с каждой стороны. Переключение клапанов, регулирующих направление факела горения, происходит автоматически через 15—20 мин.
Рис. 2. Конвертерная печь на кислородном дутье сверху с основной футеровкой На рис. 3, а показана схема движения газов в мартеновской печи, на рис. 3, б — продольный и поперечный разрезы мартеновской печи, а на рис. 3, в показана схема установки кислородного дутья для получения стали скоростным способом, В зависимости от футеровки различают мартеновские печи кислые, когда футеровка выполнена из динаса, и основные, когда огнеупорный материал представляет -собой доломит. Подина печи в первом случае наваривается из молотого кварца, а во втором — из порошка магнезита. Наибольшее распространение в СССР имеют печи с основной подиной. В зависимости от конструкции различают печи стационарные (неподвижные) и качающиеся. Качающиеся печи могут поворачиваться на определенный угол вокруг горизонтальной оси, что облегчает выпуск из них металла и шлака. В зависимости от состава шихты различают следующие разновидности процесса плавки стали на поду регенеративной мартеновской печи: Основное применение имеют скрап-процесс и скрап-рудный процесс. Чугунно-рудный и скрап-рудный процессы проводят в основных печах, обеспечивающих удаление из стали фосфора и серы. Печи с кислой футеровкой могут работать на шихте, свободной от серы и фосфора. Технология процесса плавки в мартеновской печи. Процесс плавки состоит из следующих основных операций. Загрузка, или завалка, шихты в печь. При загрузке скрапа последний подвергается сортировке} мелкий скрап — стружка, высечка и т. п. — спрессовывается в пакеты (пакетируется) и загружается с помощью специальной машины через загрузочное окно в рабочее пространство печи. Таким же образом производится загрузка известняка и руды. Жидкий чугун заливается в печь через рабочие окна из разливочного ковша. Расплавление шихты. Длительность этого процесса зависит от тепловой мощности печи и заканчивается образованием в печи двух жидких слоев — расплавленного металла и шлака.
Рис. 3. Мартеновская печь: Кипение жидкой ванны — наиболее ответственная часть процесса; выделяющаяся при этом окись углерода вызывает бурление (кипение) жидкой стали, что в значительной степени ускоряет окисление примесей (Si, Мп). Раскисление стали и доводка. В сталь добавляются ферросилиций, ферромарганец и алюминий для удаления из нее растворенного кислорода и получения стали определенного химического состава. Готовая сталь выпускается в разливной ковш и разливается в изложницы. Окисление примесей при плавке стали в мартеновских печах происходит через шлак в такой последовательности: кислород воздуха, взаимодействуя с закисью железа в шлаке, окисляет ее. Образовавшийся окисел Ре20з при взаимодействии с железом образует закись железа по реакции Fe203 + Fe = 3FeO. В зависимости от условий раскисления в основной мартеновской печи выплавляют сталь кипящую и спокойную. При варке кипящей стали в качестве раскислителя применяют только ферромарганец. Он значительно повышает температуру ванны. Это приводит к усилению процесса кипения стали (выделения газов), который заканчивается уже в изложнице, поэтому в слитках кипящей стали образуется большое количество газовых пузырей, частично завариваемых в процессе прокатки. В слитке стали усадочная раковина рассредоточивается (рис. 44, а). Кипящая, преимущественно низкоуглеродистая, сталь применяется для штамповки. Содержание кремния в этой стали обычно меньше 0,03%. Спокойная сталь раскисляется ферросилицием и ферромарганцем. Процесс кипения заканчивается в печи, и кристаллизация стали в изложнице протекает спокойно; количество газовых пузырей значительно меньше; в слитке образуется сосредоточенная усадочная раковина. В мартеновских печах выплавляют качественные углеродистые и легированные стали различного назначения. Наиболее важными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются производительность печи, измеряемая б тоннах с одного квадратного метра пода печи в сутки, и расход топлива. Борьба за сокращение времени плавки, проведение скоростных плавок за счет лучшей организации рабочего процесса, уменьшение простоев, ускорение завалки и повышение тепловой мощности печи —все это способствует быстрому росту производительности плавки стали. При наиболее успешном проведении скоростных плавок съем стали доходит до 18—19 т/м2 в сутки. Расход топлива в зависимости от тоннажа печи, рода процесса и тепловой мощности составляет 12—20% от веса шихты. В последние годы найдена возможность значительного сокращения продолжительности плавки стали путем применения кислорода. Завод «Запорожсталь», применяя в течение двух лет кислород, увеличил на существующих мартеновских печах выплавку стали на 20%. Использование кислорода в сталеварении на всех заводах позволит увеличить выплавку стали в стране на несколько миллионов тонн в год. В 1960 г. выплавка стали с применением дутья, обогащенного кислородом, должна составлять примерно 40% от общего производства стали. Производство стали в электрических печах. В настоящее время выплавку стали производят в дуговых и индукционных электропечах, причем преимущественное распространение имеют дуговые электропечи. В электропечах можно получать более высокие температуры по сравнению с другими печами (до 2000°). В процессе плавки отсутствует непосредственное соприкосновение жидкого металла с печными газами. Эти особенности электроплавки дают возможность:
Рис. 4. Продольное сечение слитков: Электросталь обладает наилучшими свойствами по сравнению со сталью, получаемой другими способами (мартеновской, бессемеровской, томасовской). Все возрастающая потребность в высококачественном металле для инструментов и деталей вызвала быстрое развитие производства электростали. В Директивах XX съезда КПСС предусматривается организация производства электростали дуплекс-процессом в конвертерах и электропечах, обеспечивающих высокое качество стали и уменьшение расхода электроэнергии. Дуговые электропечи применяют в настоящее время также для выплавки ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама, феррованадия, ферромолибдена и др.), т. е. сплавов, богатых хромом, вольфрамом, ванадием, молибденом и т. д. Ферросплавы добавляют в шихту при выплавке различных сортов стали сложного состава. Дуговая электропечь представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным материалом. Электроды угольные или графитовые проходят через свод печи. С помощью специального приспособления печь может поворачиваться на определенный угол. Это облегчает удаление из нее шлака и разливку стали. Емкость современных дуговых электропечей доходит до 80—100 т. Рабочее напряжение печи 95—220 в. Расход электроэнергии при работе на твердой шихте составляет 600—1000 квт-ч на 1 г готовой стали. В зависимости от состава футеровки электропечи могут быть кислыми — с динасовой футеровкой и основными — с доломитовой футеровкой. Основные печи наиболее распространены. В электропечах экономически целесообразно производить выплавку стали из стального лома с добавкой небольшого количества чугуна. Обычно (кроме случая переплавки отходов легированной стали) при плавке в основной электропечи различают те же пять периодов, что и в мартеновской печи: завалка шихты, расплавление, кипение металла, раскисление и доводка. Во время периода кипения окисление углерода и других примесей происходит в основном за счет кислорода железной руды, добавляемой в печь. Значительное количество серы и фосфора удаляется из печи вместе со шлаком. Раскисление и доводка (или рафинирование) производится под шлаком, который чаще всего состоит из извести, плавикового шпата и кокса.
Рис. 5. Схематический продольный разрез дуговой электропечи Введение в сталь легирующих элементов для получения нужного химического состава производится во время обработки ее шлаком. Когда сталь приобретает заданный состав, ее выпускают из печи в ковш. Индукционная электрическая печь для выплавки стали представляет собой тигель из огнеупорного материала, помещенный внутри индуктора — медной трубчатой спирали, по которой проходит ток высокой частоты. При загрузке тигля шихтой в металле индуктируется ток большой мощности, приводящий к быстрому расплавлению стали. Схема индукционной печи приведена на рис. 6. В СССР плавка стали в индукционных печах начала производиться с 1931 г. и сейчас имеет широкое распространение. Емкость современных промышленных индукционных печей достигает 9 т. Плавка стали в индукционных печах имеет следующие преимущества: быстрота плавки и незначительная степень окисления шихты, перемешивание металла вихревыми токами и выравнивание его состава, незначительный угар и возможность получения высоких температур. Разливка стали. Разливка стали в изложницы (формы) является заключительной операцией производства стали. Качества и свойства стали в значительной степени зависят от условий ее разливки. Жидкая сталь, выплавленная тем или иным способом, сливается из печи в разливочный ковш, который представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным материалом (шамотом). В днище ковша имеется отверстие, закрывае-. мое специальным приспособлением — стопором. Стопор представляет собой железную штангу, футерованную огнеупорными кольцами, заканчивающимися огнеупорной пробкой, которая и закрывает отверстие в днище ковша. Стопор может перемещаться в вертикальной плоскости и тем самым открывать или закрывать отверстие в ковше.
Рис. 6. Индукционная электрическая печь-схема Для разливки стали применяют чугунные формы различного профиля, в зависимости от назначения слитка, называемые изложницами. Для прокатки и поковки чаще всего применяют квадратные изложницы, расширяющиеся кверху, или конические.
Рис. 7. Схема устройства сталеразли-вочного ковша Существуют два способа разливки стали: сверху — отдельно в каждую изложницу и снизу— сифонным способом. Разливка сверху имеет наибольшее распространение. При обоих способах разливки в верхней части изложницы устанавливают керамическую насадку, способствующую более медленному затвердеванию стали и уменьшению усадочной раковины в слитке. Схема расположения изложниц при заливке приведена на рис. 8.
Рис. 8. Схема расположения изложниц при разливке стали: Оба метода разливки стали — сверху и сифонный — почти равноценны, и выбор того или другого метода определяется местными возможностями и конкретными требованиями к металлу. Однако стали, которые должны быть особенно чистыми от неметаллических включений (шарикоподшипниковая, быстрорежущая, магнитная и др.), разливаются сверху. Директивы XX съезда КПСС предусматривают всемерное расширение выплавки и разливки стали в вакууме, а также внедрение в широком масштабе высокопроизводительных способов непрерывной разливки стали, позволяющей улучшить качество и увеличить выход годной продукции. Способ непрерывной разливки стали характеризуется тем, что жидкая сталь заливается в охлаждаемую^ водой металлическую форму (кристаллизатор), дойная часть шторой может опускаться с определенной скоростью. Согласовывая скорость разливки стали со скоростью опускания донной части формы, можно получить плотный слиток стали большой длины, без усадочной раковины. Сталь, залитая, в изложницу, охлаждается неравномерно, поэтому кристаллизация ее происходит также неравномерно, по зонам. Первая зона мелких кристаллов прилегает непосредственно к внутренней стенке изложницы там, где жидкий металл охлаждается быстрее всего. Вторая зона состоит из столбчатых кристаллов, ориентированных к центру слитка. Третья зона в центральной части слитка, в которой охлаждение происходит более медленно, состоит из кристаллов без определенной ориентации. Химический состав отдельных кристаллов является неоднородным, распределение примесей в слитке неравномерно. Это явление носит название ликвации. Вследствие уменьшения объема стали при затвердевании в слитке возникает усадочная пористость и рыхлость, а в его верхней части образуется усадочная раковина. Выделение из жидкой стали газов способствует образованию в слитке газовых пузырей и раковин. Для уменьшения потерь металла на отходы необходимо добиваться уменьшения усадочной раковины. Классификация стали В зависимости от химического состава сталь разделяется на углеродистую, представляющую в основном сплав железа с углеродом, и легированную.
Рис. 9. Макроструктура стального слитка Легированная сталь, кроме железа и углерода, содержит оДин или несколько химических элементов (хром, марганец, никель, молибден, ванадий, вольфрам и др.). которые специально вводят в состав стали в таком количестве, что их присутствие существенно изменяет свойства стали. Такие элементы называются легирующими. В зависимости от назначения различают сталь конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами. Конструкционная сталь содержит до 0,7% углерода и применяется для изготовления валов, осей, шатунов, шестерен и других деталей в машинстроении. Инструментальная сталь содержит углерод в пределах от 0,7 до 1,7% и применяется для изготовления различных инструментов — зубил, сверл, резцов, фрез, метчиков, плашек и т. п. К сталям с особыми свойствами относятся: нержавеющая, жаропрочная, немагнитная и др. В большинстве случаев эти стали содержат большое количество легирующих элементов. В Советском Союзе большинство технических сплавов, в том числе сталь и чугун, стандартизовано. Государственные общесоюзные стандарты (ГОСТ) устанавливают наименование марок, химический состав, свойства и назначение стали и других технических сплавов и являются обязательными для всех отраслей народного хозяйства. Реклама:Читать далее:Углеродистые сталиСтатьи по теме:Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум |
|
|
|
Контакты: Сергей Королёв © 2007-2009 Pereosnastka.ru - информационный сайт о металло- и деревообработке. |
© Все права защищены.
Копирование материалов невозможно. |
|