Производство стали
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
1. Сущность процесса
Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода,
кремния, марганца, примесей серы и фосфора. Исходные материалы для получения
стали — передельный чугун и стальной лом (скрап). Следовательно, сущностью
передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других
элементов и перевода их в шлак или газы.
В настоящее время сталь получают в кислородных конвертерах,
мартеновских и электрических печах.
Производство стали в кислородных конвертерах
Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна
кислородом.
1.1 Кислородный
конвертер (рис. 1) представляет собой сосуд 1 грушевидной
формы из стального листа, футерованный внутри основным кирпичом 2.
Рабочее положение конвертера вертикальное. Кислород подается в него под
давлением 0,8...1 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в
конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла
на расстоянии 0,3...0,8 м.
Конвертеры изготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий
расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м3.
Материалами для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий
передельный чугун и стальной лом. Для наводки шлака в конвертер добавляют
железную руду и известь, а для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.
Перед началом
работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью
завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий
чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходное
вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют
шлакообразующие материалы.
Изменение металла по ходу плавки показано на рис. 2. При продувке
происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом
дутья, так и оксидом железа FeO. Одновременно образуется
активный шлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление
серы и фосфора с образованием устойчивых соединений P2O5-
ЗСаО и CaS в шлаке.
В момент, когда содержание углерода достигает заданного для
выплавляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и
выливают вначале сталь, а затем — шлак.
Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертера
раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si,
Mn, A1). Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МпО, SiO2, А1203,
переходящие в шлак.
Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает
400...500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электропечей не
превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности и малой металлоемкости
кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.
рис.1 рис.2
рис.3
2. Производство стали в мартеновских печах
2.1 Мартеновская печь (рис. 3) представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая
температура в которой (1750... 1800 °С) достигается за счет сгорания газа в
плавильном пространстве. Газ и воздух подогреваются в регенераторах. Слева от
плавильного пространства 7 находятся каналы для газа 3 и воздуха 4, соединенные
с регенераторами 1 и 2. Такие же каналы для газа 9 и воздуха 8
имеются справа от плавильного пространства 7; они соответственно соединены с
регенераторами 10 и 11. Каждый из регенераторов имеет насадку из
выложенного в клетку огнеупорного кирпича. Шихта загружается через окна 5.
Подаваемые в печь газ и воздух проходят через предварительно нагретые
до температуры 1200... 1250 °С регенераторы 10 и 11, нагреваются
в них и поступают в плавильное пространство печи. Здесь газ и воздух
смешиваются и сгорают, образуя пламя высокой температуры. Продукты сгорания по
каналам 3 и 4 поступают в регенераторы 1 и 2, нагревают
их, охлаждаясь до 500...600 °С, и уходят в дымовую трубу 13. По мере
охлаждения регенераторов 10 и 11 направление газа и воздуха в печи
меняют на обратное переключением клапанов 12 и 14. Тогда газ и воздух
поступают в плавильное пространство по каналам 3 и 4, пройдя
нагретые регенераторы 1 и 2, а продукты сгорания выходят
по каналам 8 и 9, нагревают насадку регенераторов 10 и 11
и уходят в трубу 13. Таким образом, газ и воздух при работе печи
проходят через попеременно нагреваемые то левые, то правые регенераторы.
Мартеновские печи, работающие на мазуте, имеют с каждой стороны по
одному регенератору для нагрева только воздуха.
В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 900
т жидкой стали. Важной характеристикой этих печей является также площадь пода 6.
Для печи емкостью 900 т она составляет около 120 м2.
2.2 Мартеновский процесс. Материалами для
выплавки стали в мартеновской печи могут быть: стальной лом (скрап), жидкий я
твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте
различают:
1) скрап-рудный процесс на шихте из жидкого чугуна
с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;
2) скрап-процесс на шихте из стального лома и
25...45 % чушкового передельного чугуна.
Флюсом в обоих процессах обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы металла).
Более широкое применение в металлургии получил скрап-рудный
процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и
прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают
жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксида
железа руды и скрапа:
3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп
+ Fe20з== ЗМпО + 2Fe;
6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Ре20з= ЗСО + 2Fe.
Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого
железа с известью:
FeS + СаО == FeO
+ CaS.
Оксиды SiO2,
MnO, P2O5, CaO, а также сульфид
CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.
Для интенсификации процесса плавления и окисления примесей ванну
продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые фурмы. Продувка
кислородом позволяет в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить
расход топлива и железной руды.
После плавления шихты начинается период кипения ванны. В это время
интенсивно окисляется углерод в металле. В момент, когда содержание его
достигает заданного, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума,
кипение прекращают и начинают раскисление стали в ванне печи ферромарганцем,
ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и
ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.
Скрап-процесс применяют на машиностроительных
заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он
несколько отличается завалкой и плавлением шихты.
Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и
легированных сталей.
Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода
печи в сутки и расход топлива на тонну выплавленной стали. На отечественных
заводах съем стали составляет около 10 т/м2 в сутки, а расход
топлива при скрап-рудном процессе— 120... 180 и при скрап-процессе — 170... 250
кг/т.
Интенсификация
мартеновского производства достигается использованием печей большей емкости,
хорошей подготовки шихтовых материалов, автоматизации процесса плавки.
Повышению производительности печей и экономии топлива способствует применение
кислородного дутья. я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их
соотношения в шихте различают:
1) скрап-рудный процесс на шихте из жидкого чугуна
с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;
2) скрап-процесс на шихте из стального лома и
25...45 % чушкового передельного чугуна.
Флюсом в обоих процессах обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы
металла).
Более широкое применение в металлургии получил скрап-рудный
процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и
прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают
жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксида
железа руды и скрапа:
3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fе20з== ЗМпО + 2Fe;
6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Fе20з= ЗСО + 2Fe.
Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого
железа с известью:
FeS + СаО == FeO
+ CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак,
периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.
Для интенсификации процесса плавления и окисления примесей ванну
продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые фурмы. Продувка кислородом
позволяет в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход
топлива и железной руды.
После плавления шихты начинается период кипения ванны. В это время
интенсивно окисляется углерод в металле. В момент, когда содержание его
достигает заданного, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума,
кипение прекращают и начинают раскисление стали в ванне печи ферромарганцем,
ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и
ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.
Скрап-процесс применяют на машиностроительных
заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он
несколько отличается завалкой и плавлением шихты.
Основной скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и
легированных сталей.
Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода
печи в сутки и расход топлива на тонну выплавленной стали. На отечественных
заводах съем стали составляет около 10 т/м2 в сутки, а расход
топлива при скрап-рудном процессе— 120... 180 и при скрап-процессе — 170... 250
кг/т.
Интенсификация мартеновского производства
достигается использованием печей большей емкости, хорошей подготовки шихтовых
материалов, автоматизации процесса плавки. Повышению производительности печей и
экономии топлива способствует применение кислородного дутья.
3. Разливка стали
Выплавленную в плавильной печи сталь выпускают в сталеразливочный
ковш (рис.4) и мостовым краном переносят к месту разливки в слитки. Емкость
ковша обычно определяется емкостью плавильной печи и составляет 5...250 т. Для
крупных плавильных печей применяют ковши емкостью до 450 т (диаметром и высотой
до 6 м).
Сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок для
непрерывной разливки.
3.1 Изложницы
представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения.
Масса слитков для прокатки обычно составляет 10...12 т (реже —до 25 т), а для
поковок достигает 250...300 т. Легированные стали иногда разливают в слитки
массой в несколько сотен килограммов.
Применяют два способа разливки стали в изложницы: сверху и сифоном.
При разливке сверху (рис. 5,а) сталь заливают из ковша 2 в
каждую изложницу 1 отдельно. При такой разливке поверхность
рис. 4
слитков вследствие
попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязненной
пленками оксидов.
При сифонной разливке (рис. 5 ,Б) сталью заполняют одновременно
от 2 до 60 установленных на поддоне 5 изложниц через центровой литник 3
и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы снизу, что
обеспечивает плавное, без разбрызгивания их заполнение, поверхность слитка
получается чистой, сокращается время разливки. Сталь в надставке 4
сохраняется в жидком
рис.
5
рис.6
состоянии,
благодаря чему уменьшаются раковина и отходы слитка при обрезке.
Разливку сверху обычно применяют для углеродистых, а разливку сифоном —
для легированных сталей.
3.2 Непрерывная разливка стали производится на специальных установках — УНРС (рис. 6). Жидкую сталь
из ковша 6 через промежуточное устройство 5 непрерывно заливают сверху в
водоохлаждаемую изложницу без дна — кристаллизатор 4, а из нижней его
части вытягивают со скоростью 1...2,5 м/мин с помощью валков 3
затвердевающий слиток. На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой,
окончательно затвердевает и попадает в зону резки, где его разрезают газовым
резаком 2 на слитки определенной длины. Полученные слитки с помощью
кантователя / опускаются на роликовый конвейер и подаются на прокатные станы.
На УНРС получают слитки прямоугольного сечения размерами от 150 Х 500
до 300 Х 200 мм, квадратного со стороной от 150 до 400 мм, а также круглые в
виде толстостенных труб.
Благодаря непрерывному питанию и направленному затвердеванию в
слитках., полученных на УНРС, отсутствуют усадочные раковины. Поэтому выход
годных заготовок может достигать 96... 98 % массы разливаемой стали,
поверхность получаемых слитков отличается хорошим качеством, а металл слитка —
плотным и однородным строением.
4. Затвердевание и строение стальных слитков
Процесс затвердевания стального слитка и образование
кристаллической структуры в нем был рассмотрен выше. Необходимо добавить, что
строение слитка определяется не только условиями охлаждения, но и степенью
раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокойные и
полуспокойные.
4.1 Кипящей называют
сталь, не полностью раскисленную в печи. Ее раскисление продолжается в
изложнице за счет взаимодействия оксида железа FeO с
углеродом. Образующийся при этом оксид углерода СО выделяется из ста
держит
неметаллических примесей, обладает высокой пластичностью.
4.2. Спокойную сталь
получают при полном раскислении металла в печи и ковше (рис. 7, Б). Такая сталь
затвердевает без выделения газов, в слитке образуется плотная структура, а
усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно уменьшает
выход годного металла.
4.3. Полуспокойная сталь
получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством
ферросилиция или алюминия. В этом случае слиток не имеет концентрированной
усадочной раковины, в нижней части он обычно имеет строение спокойной, а в верхней
— кипящей стали (рис. 7 ,в). Такая сталь по качеству и стоимости является
промежуточной между кипящей и спокойной.
5 Способы повышения качества стали
Выплавленные в кислородных конвертерах, мартеновских и
электрических печах стали не всегда удовлетворяют по своим свойствам
требованиям современной техники. Для повышения их качества разработаны специальные
технологические процессы внепечного рафинирования и рафинирующих переплавов.
Из методов внепечного рафинирования стали наиболее широкое применение
получила обработка в вакууме и жидкими синтетическими шлаками.
1. Вакуумную обработку применяют для уменьшения
содержания в стали растворенных газов и неметаллических включений. С этой целью
выплавленную в мартеновских или электрических печах сталь выдерживают в течение
10..,15 мин в специальных камерах с остаточным давлением 265...665 Па в ковше
или при заливке в изложницу. При понижении давления растворимость газов в стали
(азота, водорода) уменьшается и они в виде пузырьков всплывают на поверхность,
захватывая с собой и неметаллические включения.
Вакуумная обработка позволяет уменьшить в 3...5 раз содержание газов и
в 2...3 раза неметаллических включений в стали, что способствует повышению ее
прочности и пластичности.
5.2. Обработка стали синтетическим шлаком заключается в следующем. В разливочный ковш перед выпуском стали из
плавильного агрегата наливают 3...5 % по отношению к массе стали жидкого шлака,
содержащего 55 % СаО, 42 % Al2O3, до 3 % SiO2 и 1 % FeO. Затем в ковш по возможности с большей высоты мощной струёй выпускают
выплавленную сталь. В результате интенсивного перемешивания стали и шлака поверхность
их взаимодействия увеличивается в сотни раз по сравнению с той, которая имеется
в печи. Поэтому процессы рафинирования резко ускоряются и для их протекания
требуется уже не 1,5...2 ч, как обычно в печи, а примерно столько, сколько
уходит на выпуск плавки.
Рафинированная синтетическим шлаком сталь
отличается низким содержанием кислорода, серы и неметаллических включений, что
обеспечивает ей высокую пластичность и ударную вязкость.
рис.8
рис.9
К числу рафинирующих переплавов относятся: электрошлаковый,
вакуумно-дуговой, плазменно-дуговой, электронно-лучевой и др.
5.3. Электрошлаковый переплав (ЭШП) заключается в следующем. Переплавляемая сталь подается в
установку в виде расходуемого (переплавляемого) электрода 1 (рис. 8).
Расплавленный шлак 2 (смесь 60...65 % CaF2, 25...30 % Al2O3, CaO и другие добавки) обладает большим
электросопротивлением и при прохождении электрического тока в нем генерируется
тепло, достаточное для расплавления электрода. Капли металла проходят слой
шлака, собираются в ванне 3 и затвердевают в водоохлажденной изложнице 4,
образуя слиток 5. При этом кристаллизация металла происходит
последовательно и направлена снизу вверх, что способствует удалению
неметаллических включений и пузырьков газа и тем самым образованию плотной и
однородной структуры слитка. В конце переплава поддон 6 опускают и
затвердевший слиток извлекают из изложницы.
Современные установки ЭШП позволяют получать слитки различного сечения
массой до 40 т.
5.4. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) осуществляется в вакуумных дуговых печах с расходуемым
электродом 2 (рис. 9), при этом слиток 4 образуется, как и при
ЭШП, в водоохлаждаемой изложнице 3. В корпусе 1 печи поддерживается
вакуум около 1,5 Па, что способствует хорошей очистке металла от газов, а
направленная кристаллизация обеспечивает удаление неметаллических включений,
получение плотной структуры и исключает образование усадочной раковины. Емкость
печей для ВДП достигает 50 т.
5.5. Плазменно-дуговой переплав (ПДП) применяется для получения стали и сплавов особо высокой чистоты.
Источником тепла в установке служит плазменная дуга с температурой 10 000... 15
000 °С (рис. 10). Исходным материалом для получения слитков служит стружка или
другие дробленные отходы металлообрабатывающей промышленности. Металл плавится
и затвердевает в водоохлаждаемом кристаллизаторе, а образующийся слиток
вытягивается вниз. Благодаря высокой температуре из металла интенсивно
рис.10
рис.11
испаряются сера и
фосфор, а также удаляются неметаллические включения.
5.6. Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) осуществляется за счет тепла, образующегося в результате
облучения переплавляемого металла потоком электронов. Переплав ведется в
вакуумных установках при остаточном давлении 0,001 Па, а затвердевание слитка—в
водоохлаждаемом кристаллизаторе (рис. 11). Глубокий вакуум и благоприятные
условия затвердевания обеспечивают получение особо чистого металла. Поэтому ЭЛП
применяют для получения сталей особо высокой чистоты, сплавов со специальными
свойствами, а также чистых тугоплавких металлов (W, Mo, Nb и др.).
СОДЕРЖАНИЕ
1. Сущность процесса
1.1
Кислородный
конвертер
2. Производство стали в
мартеновских печах
2.1 Мартеновская печь
2.2
Мартеновский
процесс.
3. Разливка стали
3.1
Изложницы
3.2
Непрерывная разливка стали
4. Затвердевание и строение
стальных слитков
4.1 Кипящей
4.2 Спокойную
сталь
4.3
Полуспокойная сталь
5 Способы повышения
качества стали
5.2
Обработка стали
5.3
Электрошлаковый переплав
5.4
Вакуумно-дуговой переплав
5.5
Плазменно-дуговой переплав
5.6
Электронно-лучевой переплав
МИНИСТЕРТСВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
КГТУ
Кафедра ТКМ
РЕФЕРАТ
Производства стали
Выполнил:
Ст. гр. МТ 11-1
Гохберг А. В.
Г.Красноярск 2002