НМетАУ
Национальная Металлургическая Академия Украины
Кафедра технологического
проектирования
Курсовая работаПо дисциплине "Введение в специальность"
На тему: "Производство стали"Выполнил:Студент группы ПМ - 99
Брез А. П.Проверил:Проф. Друян В. М.
Содержание
.
стр
1. Введение
2. Производство стали
2.1 Шлаки сталеплавильных процессов
2.2 Основные реакции сталеплавильных процессов
2.2.1 Окисление углерода
2.2.2 Окисление и восстановление Mn
2.2.3 Окисление и восстановление Si
2.2.4 Окисление и восстановление P
2.2.5 Десульфация стали
2.2.6 Газы в стали
2.2.7 Раскисление стали
3. Производство стали в конвертерах
3.1 Кислородно-конвертерное процесс с верхней продувкой
3.2 Кислородно-конвертерное процесс с донной продувкой
3.3 Конвертерный процесс с комбинированной продувкой
4. Производство стали в мартеновских печах
5. Производство стали в электропечах
5.1 Выплавка стали в кислых электродуговых печах
5.2 Способы интенсификации выплавки стали в большегрузных печах
5.3 Плавка стали с рафинированием в ковше печным шлаком
5.4 Плавка стали в индукционной печи
6. Разливка стали
6.1 Разливка стали в слитки
7. Пути повышения качества стали
7.1 Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата
7.2 Производство стали в вакуумных печах
7.3 Производство стали в индукционных печах
7.4 Производство стали в вакуумных дуговых печах
7.5 Плазменно-дуговая плавка
8. Заключение
9. Список рекомендуемой литературы
3
3
3
4
4
5
5
5
5
6
6
7
8
10
10
11
12
13
13
14
14
15
15
15
16
18
18
19
20
21
22
Введение:
Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые
человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни
трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности
человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли
как конструкционного материала.
Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе
черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным
относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.
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 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 железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов
и сталей.
Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не
превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для
машиностроения, транспорта и т. д. 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. В современной металлургии
основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный,
мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами
сталеплавильного производства меняется.Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь
получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна –
углерода, кремния, марганца и фосфора. 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.
Производство стали
Шлаки сталеплавильных процессов.
Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим,
определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на
качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность
сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих
части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам
шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2; P
2O5; TiO2; V2O5 и др.),
основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Al2O3;
Fe2O3; Cr2O3; V2O3
и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на
его свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления
примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера,
происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из
металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен
для усвоения и удержания оксидов примесей;
2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из
печной атмосферы к жидкому металлу;
3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит
передача тепла металлу;
4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как
фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле
марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в
различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический
состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия
достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных
количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита и
др.
Основные реакции сталеплавильных процессов.
Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е.
очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода,
марганца, кремния, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из
железной руды или других окислителей, либо при продувки ванны газообразным
углеродом.
Окисление углерода. Особенность окисления углерода заключается в
том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из
металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости.
Реакцию окисления углерода, растворенного в металле можно написать в следующем
виде:
[C] + [O] = {CO}; K =
где [C]; [O] - концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.
Как следует из уравнения для константы, при заданном значении рсо
произведение концентрации углерода и растворенного кислорода есть величина
постоянная. Следовательно, от концентрации углерода зависит концентрация
кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже
содержание кислорода в нем и наоборот.
Окисление и восстановление марганца. Марганец как элемент,
обладающий высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так
и при основном процессах. Реакции окисления и восстановления марганца можно
представить следующим образом:
[Mn] + [O] (MnO); [Mn] + (FeO) (MnO) + [Fe]
Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением температуры
и основности шлака концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает
на то, что реакция окисления марганца достигает равновесия, и окислительный
процесс сменяется восстановительным. Поскольку почти все стали содержат
марганец, то его восстановление в процессах плавки - явление желательное.Окисление и восстановление кремния. Кремний обладает еще большим
сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в
период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:
[Si] + 2[O] = (SiO2); [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2 [Fe]
При плавке под основным шлаком SiO2 связывается в прочный силикат
кальция (CaO)2•SiO2, что обеспечивает почти полное
окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведения кремния
иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсивное восстановление
кремния.
Окисление и восстановление фосфора. Фосфор в стали является
вредной примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому
содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается
пределом 0,015 - 0,016 %. Окисление фосфора можно представить следующим
образом:
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe];
(P2O5) + 3(FeO) = (FeO)3• P2O5;
(FeO)3•P2O5 + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 3(FeO);
2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 5Fe.
Уравнение константы можно записать в следующем виде:
K =
Откуда коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком:
L = (P2O5)/P2 = K(FeO)5(CaO)4Десульфация стали. Сера, также как и фосфор, является
вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции
Feж + [S] +(CaO) = (CaS) + (FeO).
Уравнение для константы имеет вид:
К = Коэффициент распределения серы
L = (S)/[S] = K(CaO)/(FeO).
Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака
способствует десульфации. Положительную роль оказывает также повышение
температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени
удалении серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем
сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные металлы.
Газы в стали. Газы (кислород, водород и азот) содержаться в любой
стали. Газы даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента оказывают
отрицательное влияние на свойства металла.
Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией: .
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным.
Растворимость водорода и азота в металле починяется закону Стивенса:
;
, где pH и pN - парциальные давления газов; KH
и KN - растворимость водорода и азота при парциальном давлении
соответствующего газа равном, 0,1 МПа.
Уменьшение растворимости при переходе из жидкого в твердое состояние при
кристаллизации стали вызывает выделение газов из металла, что является причиной
образования ряда дефектов, например, флокенов
[1], пористости в слитках готовой стали и т. п. В присутствии некоторых
элементов в металле могут образовываться их соединения с азотом - нитриды.
Наличие нитридов в кристаллической структуре многих сталей отрицательно влияет
на свойства металла.
Азот и водород успешно удаляются из жидкой стали в результате реакции
окисления углерода. Образующийся по этой реакции СО, собирается в пузырьки,
которые вырываются на поверхность металла, пробивают находящийся под металлов
слой жидкого шлака и выходят в атмосферу. В результате этого создается
впечатление кипения жидкой ванны.
Всплывающие пузырьки СО
захватывают по пути вверх некоторое количество других газов - H2 и N
2 (рис 1).
Чем энергичнее протекает кипение металла, тем меньше содержание газов и тем
лучше качество металла. Для удаления H2 и N2 применяют
также вакуумную обработку, продувку ванны нейтральным газом (аргоном) и др.
Рис. 1 Схема удаления газов из
жидкого металла в процессе кипения
Раскисление стали. Для снижения содержания кислорода в стали
проводят ее раскисление. Это, как правило, последняя и ответственная операция в
процессе выплавки стали. Раскисление - это процесс удаления кислорода,
растворенного в стали, путем связывания его в оксиды различных металлов,
имеющих большее сродство к кислороду, чем железо.
Наиболее распространенными раскислителями являются марганец и кремний,
используемые в виде ферросплавов, и алюминий.
Реакции раскисления можно представить следующим образом:
[O] + [Mn] = (MnO)
2[O] + [Si] = (SiO2)
3[O] + 2[Al] = (Al2O3)
В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два метода
раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное раскисление.
При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В этом случае
требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления - оксиды
кремния, марганца, алюминия всплыли в шлак. При диффузном раскилении
раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл.
Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания
кислорода в металле происходит за счет его перехода из металла в шлак, т. е.
[O] ==> (O). При диффузионном раскислении не происходит загрязнение металла
неметаллическими включениями - продуктами раскисления.
Для более глубокого раскисления применяют обработку жидкого металла в вакууме
или синтетическими шлаками.
В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и
полуспокойную сталь.
Спокойная сталь - это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря
вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в
связанном с элементом-раскислителем состоянии. При разливки такой стали газы не
выделяются, и она застывает спокойно.
Кипящая сталь - это сталь, частично раскисленная марганцем. При разливке
в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков оксида углерода,
образующихся по реакции: [C] + [O] = {CO}.
Полуспокойная сталь - это сталь, по степени раскисленности занимающая
промежуточное место между кипящей и спокойной.
Полуспокойную сталь ракисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше
(кремнем, алюминием).
Производство стали в конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела
жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере
технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в
металл сверху.
Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был
осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице
(за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в
нашей стране - кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т,
продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.
Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового
производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в
возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием
металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей,
включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на
строительство, большой гибкостью и качеством продукции.Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.
Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает
лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов,
заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера
выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной
части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона.
Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с
приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтально оси на 360о
со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для больше грузных конвертеров емкостью от 200
т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую
цапфу
Рисунок 2 Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма поворота
В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали
через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается
огнеупорной глиной, замешанной на воде.
Рисунок 3 Технологическая схема производства стали в кислородном конвертере
Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере
состоит из следующих основных периодов (рис 3); загрузки металлолома, заливки
чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.
Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в
наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового
типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер
устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу
кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Одновременно с началом
продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от
общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в
процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после
начала продувки.
На процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение фурмы
(расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление подаваемого
кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 - 3,0 м,
давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки
обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком.
Последнее в свою очередь способствует повышению скорости окисления
содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.
Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является шлакообразование.
Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и
других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и
качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром
формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и
т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса
(длительность продувки 14 - 24 минуты). Формирование шлака необходимой
основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в
шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав
шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести,
перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему
формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны
(поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500
о. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой
температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество
вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и
содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести
составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового
штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.
Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом
наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это
объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно
низких температурах (1450 - 1500о С и менее).
Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение,
т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и
рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.
Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является
неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течении
продувки.
С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс
дефосфорации - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в
первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком
содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро
увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить < 0,02
% Р в готовой стали.
Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать
таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в том,
что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака
(> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации
при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и
содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.
По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают,
конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания
металла и шлака) выливают в ковш.
Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому
заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое
проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали
по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие
добавки.
Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на
шлаковозе под конвертером.
Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом
и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей
- металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из
конвертера около 1600о С.
Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество
отходящих газов. Для использование тепла отходящих газов и отчистки их от
пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка для
очистки газов.
Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных
компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и
количество чугуна, лома, извести), а также о показателях процесса (количество и
состав кислорода, отходящих газов, температура и т. п.).Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой.
В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем
углеводородов, была показана возможность через днище без разрушения
огнеупоров. В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров
с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали,
выплавленной в мире, приходится на этот процесс.
Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним
дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем
приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21
фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть
различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при
наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой
конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.
В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны,
увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО. Таким
образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с
верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не
представляет затруднений.
Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней.
Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности
контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части
серы в газовую фазу в виде SO2.
Преимущества процесса с донной продувкой состоят в повышении выхода годного
металла на 1 - 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома,
меньшей высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес,
прежде всего, для возможной замены мартеновских печей без коренной
реконструкции зданий мартеновских цехов.Конвертерный процесс с комбинированной продувкой.
Тщательный анализ преимуществ и недостатков способов выплавки стали в
конвертерах с верхней и нижней продувкой привел к созданию процесса, в
котором металл продувается сверху кислородом и снизу - кислородом в защитной
рубашке или аргоном (азотом). Использование конвертера с комбинированной
продувкой по сравнению с продувкой только сверху позволяет повысить выход
металла, увеличить долю лома, снизить расход ферросплавов, уменьшить расход
кислорода, повысить качество стали за счет снижения содержания газов при
продувке инертным газом в конце операции.
Производство стали в мартеновских печах
Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического
лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от
конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла
шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия
значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь
подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем
пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.
Для обеспечение максимального использования подаваемого в печь топлива
необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем
пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем
теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода.
Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при
высоких температурах углекислого газа и воды.
Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е. в
ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в
мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному
воздействию окислительной атмосферы.
Для интенсификации горения топлива в рабочем пространстве часть воздуха
идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может
также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в
конвертере).
В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других
элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe
2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 и
др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми
шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все
периоды плавки.
Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят, как и при других
сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом,
раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда,
мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).
Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества
чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от
процесса, выплавляемых марок стали и экономических условий.
Рисунок 4
По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на
несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили
скрап-рудный и скрап-процессы.
При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %)
составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным
металлургическим циклом.
При скрап-процессе основную массу металлической массы шихты (от 55 до 75 %)
составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило, применяется в
твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного
производства.
Рисунок 5 Схема двухванной сталеплавильной печи:
1 – топливно-кислородные фурмы;
2 – фурмы для вдувания твердых материалов; 3 – свод печи; 4 – вертикальные
каналы;
5 – шлаковики; 6 – подины печей
Производство стали в электропечах
Электросталеплавильное производство - это получение качественных и
высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными
преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.
Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для
нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании
электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных
нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.
В отличие от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в
электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку
можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в
широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного
давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют,
главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.
Рисунок 6 Схема рабочего пространства дуговой электропечи:
1 – куполообразный свод; 2 – стенки; 3 – желоб;
4 – сталевыпускное отверстие; 5 – электрическая дуга; 6 – сферический
под; 7 – рабочее окно; 8 – заслонка; 9 – электроды
Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами
мощностью до 125 тысяч киловатт.
Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между
электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам
электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов,
ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги
превышает 3000о С. Дуга, как известно, может возникать при
постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При
горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки,
когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между
электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого
конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта -
металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его
температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене
полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит
прерывисто, неспокойно.
1 – электрод
2 – головка электродержателя
3 – свод
4 – подвеска свода
5 – сводное кольцо
6 – цилиндричекий кожух
7 – рабочая площадка
8 – механизм наклона печи
9 – желоб для слива сталей
Рисунок 7 Дуговая сталеплавиль-ная печь.
После расплавлении шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака, дуга
стабилизируется и горит ровно.
Выплавка стали в кислых электродуговых печах
Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке
стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0-10 т. Кислая
футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом
условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов.
Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время
плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие
требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.
Плавление в кислой печи длится примерно так же, как в основной печи (50-70 мин).
В окислительный период удалятся меньшее количество углерода (0,1 - 0,2 %) и
из-за повышенного содержания FeO в шлаке металл кипит без присадок железной
руды. Содержание SiO2 в шлаке к концу окислительного периода
повышается до 55 - 65 %. Когда металл нагрет, начинается восстановление кремния
по реакции:
(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2COгаз
К концу окислительного процесса содержание Si в металле увеличивается до 0,2
- 0,4 %. Раскисление стали перед выпуском может проводиться как в печи, так и
в конце.
Способы интенсификации выплавки стали в большегрузных печах.Одношлаковый процесс. Технология выплавки стали под одним шлаком без
восстановительного периода применяется для выплавки мартеновского сортамента
сталей. После окончания проведения окислите1льного периода присаживают
силикомарганец и феррохром в необходимом количестве для получения требуемого
химического состава данной марки стали, улучшают шлак добавкой извести, флюсов.
Затем сталь выпускают в ковш, где проводят окончательное раскисление и
легирование.
Рисунок 8 Технологическая схема производства стали в дуговой сталеплавильной
печи
Плавка с рафинированием в ковше печным шлаком.
Применяется на печах емкостью 100 - 200 т. После окончания окислительного
периода и раскисления металла наводят новый шлак с высоким содержанием СаО. В
течение 40 - 60 мин шлак раскисляют молотым коксом и ферросилицием. Перед
выпуском в шлак дают CaF2. Высокое (10 - 20 %) содержание CaF2
обеспечивает высокую рафинирующую способность шлака. При выпуске из печи вначале
выпускают в ковш жидкий шлак и затем мощной струей металл. Перемешивание
металла со шлаком обеспечивает высокую степень рафинирования от примесей (от
серы) и неметаллических включений. Одной из форм рафинирования стали в ковше
можно считать технологию синтетических шлаков на основе СаО - Al2O
3. В этом случае требуются дополнительные затраты для плавления шлака.
Плавка стали в индукционной печи.
В индукционных печах для выплавки металла используется тепло, которое
выделяется в металле за счет возбуждения в нем электрического тока переменным
магнитным полем. Источником магнитного поля в индукционной печи служит
индуктор. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи,
подвергается воздействию переменного магнитного поля, возникающего от
индуктора, нагревается в следствие теплового воздействия вихревых токов.
По сравнению с дуговыми электропечами индукционные печи имеют ряд
преимуществ: отсутствие электродов и электрических дуг позволяет получать стали
и сплавы с низким содержанием углерода и газов; плавка характеризуется низким
угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного
регулирования температуры металла.
Рисунок 9 Схема индукционной печи
1 – каркас; 2 – подовая плита; 3 – водоохлаждаемый индуктор; 4 – изоляционный
слой; 5 – тигель; 6 – абсоцементная плита; 7 – сливной носок; 8 – воротник; 9
– гибкий токоподвод; 10 – опорные брусья
Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного в индуктор.
Индуктор представляет собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой
трубки. Ток к индуктору подается гибкими кабелями. Воду для охлаждения
подводят резиновыми шлангами. Вся печь заключена в металлический кожух.
Сверху тигель закрывается сводом. Для слива металла печь может наклоняться в
сторону сливного носка.
Тигель печи изготавливается набивкой или выкладывается кирпичом. Для набивки
используют молотые огнеупорные материалы - основные (магнезит) или кислые
(кварцит).
Поскольку плавка в индукционной печи происходит очень быстро, шихта для нее
используется, как правило, из высококачественного металлолома известного
состава. Перед плавкой происходит точный расчет шихты по содержанию углерода,
серы и фосфора, а также легирующих элементов. Шихту загружают в тигель таким
образом, чтобы она плотно заполняла весь объем тигля. После загрузки шихты
включают ток на полную мощность. По мере проплавления шихты загружают
оставшуюся часть. Затем на поверхность металла загружают шлакообразующую
смесь, состоящую из извести, магнезитового порошка и плавикового шпата. В
процессе плавки шлак раскисляют добавками порошка кокса и молотого
раскислителя. По ходу плавки добавляют легирующие материалы. Металл
раскисляют кусковыми ферросплавами и в конце плавки алюминием.
В индукционных печах выплавляют, как правило, стали и сплавы сложного
химического состава.
Разливка стали
Разливка стали в слитки.
Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в сталеразливочный ковш,
предназначенный для кратковременного хранения и разливки стали.
Сталеразливочный ковш (рис ) имеет форму усеченного конуса с большим
основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным
шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на
специальной железнодорожной тележке.
Сталь из ковша разливают через один или два стакана, расположенных в днище
ковша. Отверстие закрывают или открывают изнутри огнеупорной пробкой при
помощи стопора.
Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т.
В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на
машинах непрерывной разливки.
Рисунок 10 Общий вид сталеразливочного ковша:
1 – цапфа; 2 – носок для слива шлака 3 – стопор; 4 – скоба для кантования ковша
Рисунок 11 Схема разливки стали по изложницам
A – разливка сверху: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – изложница; 3 – поддон;
Б – разливка сифоном: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая трубка; 3 –
прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонные трубки
Пути повышения качества стали
Непрерывное развитие техники представляет все более высокие требования к
качеству стали.
Многочисленные способы получения металлов высокого качества могут быть
условно разделены на три группы:
· Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата
· Выплавка стали в вакууме
· Специальные способы электроплавки металлов
Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата.
При внепечной обработке металл, выплавленный в обычном сталеплавильном
агрегате (мартеновской печи, конвертере или электропечи), подвергается
внешнему воздействию в сталеразливочном ковше. Основной целью внепечной
обработки жидкой стали в ковше является снижение содержания растворенных в
металле газов, неметаллических включений и серы.
В настоящее время нет такого способа обработки жидкой стали в ковше, который
позволил бы одновременно значительно снизить в металле содержание
неметаллических включений, серы и газов. Поэтому в зависимости от
поставленной задачи применяется тот или иной способ внепечной обработки
металлов.
Обработка металлов в ковше синтетическим шлаком приводит к снижению в стали
серы, неметаллических включений и кислорода. Сущность метода заключается в том,
что металл выпускают из печи в ковш, частично заполненный жидким шлаком (4 - 5
% от массы металла), который предварительно выплавляют в специальном агрегате.
Жидкий шлак и металл интенсивно перемешиваются. Сера, кислород и
неметаллические включения переходят из металла в шлак. При обработке металла
синтетическим шлаком важную роль играет его состав и физико-химические
свойства. Шлак должен иметь низкие температуру плавления и вязкость, а также
обладать высокой основностью и низкой окисленностью. Этим требованиям отвечают
известково-глиноземистые шлаки, содержащие 50 - 55 % СаО, 38 - 42 % Al2
O3, 1,5 - 4 % SiO2, 0,15 - 0,5 % FeO. Шлаки такого состава
обладают высокой рафинирующей способностью.
Повышение качества стали, обработанной синтетическим шлаком, компенсируют
затраты, связанные с выплавкой такого шлака.
Продувка металла в ковше порошкообразными материалами является одним из
современных способов повышения качества стали и производительности
сталеплавильных агрегатов.
Жидкий металл в потоке инертного газа (аргона) через фурму вводят
измельченные десульфураторы и раскислители. В результате такой обработки
можно получить металл с содержанием серы и кислорода менее 0,005 % каждого.
Обработка жидкой стали аргоном в ковше является наиболее простым способом
повышения качества металла. Аргон вдувают в жидкую сталь через пористые и
огнеупорные пробки, которые устанавливают в днище ковша. Аргон не
растворяется в жидкой стали, поэтому при продувке металла аргоном в объеме
жидкой стали образуется большое количество пузырей, которые интенсивно
перемешивают металл и выносят на его поверхность неметаллические включения.
Кроме того, водород и азот, растворенные в стали, переходят в пузыри аргона и
вместе с ним покидают жидкий металл, т. е. происходит дегазация стали.
Внепечная обработка жидкой стали вакуумом в промышленных масштабах стала
применятся сначала 50-х годов.
Существует большое количество методов вакуумной обработки стали. Некоторые
принципиальные схемы приведены ниже:
Рисунок 12
Наиболее простым способом является вакуумирование стали в ковше (а). В этом
случае ковш с жидким металлом помещают в герметичную камеру, из которой
откачивают воздух. При снижении давления в камере металл закипает вследствие
бурного выделения из металлов газов. После дегазации металла камеру
разгерметизируют, а ковш с вакуумированной отправляют на разливку.
Ковшевое вакуумирование неэффективно при обработке полностью раскисленной
стали и больших масс металла. В этом случае вследствие слабого развитии
реакции C + O = CO металл кипит вяло. Для улучшении дегазации стали вакуумную
обработку металлов в ковше совмещают с продувкой его аргоном и
электромагнитным перемешиванием. Обычно дегазацию металла в ковше проводят в
течении 10 - 15 мин. Более длительная обработка приводит к значительному
снижению температуры металла.
Парционное и циркуляционное вакуумирование стали (рис б и в ) применяют при
дегазации больших масс металла.
При парционном вакуумировании футурованная вакуумная камера не большого
объема помещается над ковшом с жидким металлом. Патрубок камеры, футерованный
изнутри и снаружи, погружен в жидкий металл. Под действием атмосферного
давления порция металла (10 - 15 % от общей массы) поднимается в камеру и
дегазируется. При движении ковша вниз или камеры вверх металл вытекает, а при
обратном движении вновь поднимается в камеру, для полной дегазации стали
необходимо провести от 30 до 60 циклов вакуумной обработки.
При циркуляционном способе вакуумирования стали применяют вакуумную камеру с
двумя патрубками. Жидкий металл из ковша поднимается в камеру по одному
патрубку, дегазируется и вытекает обратно в ковш по второму патрубку.
Происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру. Подъем
жидкой стали в камеру происходит за счет эжектирующего действия аргона,
который подают во входной патрубок.
Струйное вакуумирование металла применяется в основном при отливке крупных
слитков (рис г). этот способ является более совершенным, т. к. устраняется
вторичное окисление при разливке вакуумированного металла из ковша в
изложницы.
При отливке слитков в вакууме струя металла, переливаемого из ковша а
изложницу, установленную в вакуумной камере, разрывается выделяющимися газами
на множество мелких капель металла. Поверхность металла резко возрастает, что
приводит глубокой дегазации стали. Кроме того, сталь также дегазируется в
изложницы.
Последнее время для получения стали с очень низким содержанием углерода
обработку металла в вакууме совмещают с продувкой его кислорода или смесью
аргона и кислорода.
Производство стали в вакуумных печах.
Применение вакуума при выплавки стали позволяет получать металл практически
любого химического состава с низким содержанием газов, неметаллических
включений, примесей цветных металлов.
Как уже отмечалось, реакции дегазации и раскисления металла углеродом в вакууме
протекают более полно. Кроме того при плавки металла в глубоком вакууме (<10
-2 Па) из металла удаляются некоторые неметаллические включения.
Производство стали в вакуумных индукционных печах.
В настоящее время вакуумные индукционные печи делятся на периодические и
полунепрерывные. В печах периодического действия после каждой плавки печь
открывают для извлечения слитка и загрузки шихты. В печах полунепрерывного
действия загрузка шихты, смена изложниц и извлечение слитка проводятся без
нарушения вакуума в плавильной камере.
В промышленности применяют печи полунепрерывного действия. Печи
периодического действия используют в основном в лабораториях и для фасонного
литья. Емкость существующих вакуумных индукционных печей достигает 60 т.
Рисунок 13 схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия
Здесь показана схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия.
Печи этого типа имеют три камеры: плавильную (2), загрузочную (8) и камеру
изложниц (1). В плавильной камере установлен водоохлаждаемый индикатор с
огнеупорным тиглем (3), в котором проводиться плавление шихты. Каркас тигля,
выполненный из уголков нержавеющей стали, опирается на цапфы. При сливе
металла и чистке тигля последний наклоняется с помощью механического или
гидравлического привода. Камера изложниц и загрузочная камера сообщаются с
плавильной камерой через вакуумные затворы (6 и15), которые позволяют
загружать шихту в печь и выгружать слиток без нарушения вакуума в плавильной
камере. Присадка легирующих и раскислителей осуществляется через дозатор
(10), установленный на крышке печи (7). Для контроля процесса плавки печь
снабжена гляделкой (4) и термопарой (5).
Технология выплавки металла в вакуумной индукционной печи полунепрерывного
действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых
материалов. Для плавки применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и
влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой
шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и
расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций
жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до
давления 1,3 • 104 Па для предотвращения выплесков жидкого металла в
следствие бурного протекания реакции [C] + [O] = COгаз. После
полного расплавления шихты металл рафинируют при давлении 1,3 - 0,13 Па от
водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали
происходит в основном по реакции [C] + [O] = COгаз, равновесие
которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки
осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и
ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные
металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят
обычно в атмосфере аргона.
Основным недостатком вакуумных индукционных печей является контакт жидкого
металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению
металла материалом тигля.Производство стали вакуумных дуговых печах.
Вакуумные дуговые печи (ВДП) подразделяют на печи с нерасходуемым и
расходуемым электродом.
Нерасходуемый электрод изготавливают из вольфрама или графита. При плавке с
нерасходуемым электродом измельченная шихта загружается в водоохлаждаемый
медный тигель и под действием электрической дуги расплавляется, рафинируется
от вредных примесей и затем кристаллизуется в виде слитка.
Эти печи промышленного применения не нашли, так как в них не возможно
получать слитки большой массы. В настоящее время распространение получили
вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.
Рисунок 134 Схема вакуумной дуговой печи
1 – источник питания; 2 – рабочая камера; 3 – электродержатель; 4 – механизм
подачи электрода; 5 – к вакуумным насосам; 6 – электрод; 7 – жидкий металл; 8
– слиток; 9 – кристаллизатор; 10 – шток для подъема поддона; 11 – поддон.
Здесь представлена схема ВДП с расходуемым электродом. Печь состоит из
рабочей камеры, медного водоохлаждаемого кристаллизатора,
электрододержателя, механизма подачи электродов и системы вакуумных насосов.
Расходуемый электрод крепится к электродержателю, который через вакуумное
уплотнение проходит сквозь верхний торец рабочей камеры.
Электродержатель служит для провода тока к электроду и фиксации его в камере
печи. Электродежатель с помощью гибкой подвески связан с механизмом подачи
электрода. Расходуемый электрод представляет собой подлежащий переплаву
исходный металл. Он может быть круглого или квадратного сечения. Как правило,
расходуемые электроды содержат все необходимые легирующие элементы. Диаметр
электрода выбирается таким, чтобы зазор между электродом и стенкою
кристаллизатора был больше длины дуги, горящей между электродом и ванной
жидкого металла. В противном случае возможен переброс электрической дуги на
стенку кристаллизатора.
Кристаллизатор представляет собой медную водоохлаждаемую трубку со стенкой
толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные.
При плавки металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по
ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких
металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кристаллизаторы.
Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится
ток.
Вакуумные дуговые печи работают как на постоянном, так и на постоянном токе.
При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается
на электрод, «минус» – на слиток.
После установки расходуемого электрода в камере печи и откачки ее до
необходимого давления (около 10-2 Па) зажигают электрическую дугу
между электродом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора.
Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется и
капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По
мере оплавления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания
расстояния между электродом и металлом.
Рафинирование металла от вредных примесей происходит во время прохождения
жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в
кристаллизаторе.
Одним из преимуществ вакуумного дугового переплава является отсутствие
контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недостаток –
ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что существенно
снижает рафинирующие возможности вакуума.Плазменно-дуговая плавка.
Плазменная плавка специальных сталей и сплавов является одним из важных способов
получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии
является низкотемпературная плазма (Т = 105 К). Плазмой называется
ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных
зарядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %.
Низкотемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический
разряд газообразного вещества. В этом случае газ ионизируется и образуется
плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют
аргон.
Для плавки стали применяют два типа агрегатов: печи с огнеупорной футеровкой
и медным водоохлаждаемым кристаллизатором.
Рисунок 145 Плазменные печи с огнеупорной футеровкой
Плазменные печи с огнеупорной футеровкой во многом похожи на дуговые
сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной
печи вместо графитовых электродов устанавливают один (4) или три плазматрона,
что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна
жидкого металла, ток к которой подводится через подовой электрод (6).
Металлургические возможности плазменных печей с нейтральной атмосферой очень
широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и
неметаллических включений, легировать азотом.
Рисунок 16 плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором
Схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором.
Переплавляемая заготовка с помощью механизма подачи через уплотнение подается в
герметичную камеру. Оплавление заготовки осуществляется двумя плазматронами.
Формирование слитка происходит в кристаллизаторе. По мере наплавления слиток
вытягивается из кристаллизатора.
Слитки полученные этим способом, имеют высококачественную поверхность.
Заключение
Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его
металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не
замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.
Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как
чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее
человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на
металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, основа основ
технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням
развития, тем больше его нужда в металлах.
Список рекомендуемой литературы:1.Основы металлургического производства (черная металлургия)
Москва «Металлургия» 1988
2.Энциклопедия «Радость познания»
Том 1 «Наука и вселенная»
Москва «МИР» 1983[1] Флокены - мельчайшие трещины,
образующиеся в результате выделения водорода в виде газа.
Производство стали
Шлаки сталеплавильных процессов.
Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим,
определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на
качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность
сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих
части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам
шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2; P
2O5; TiO2; V2O5 и др.),
основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Al2O3;
Fe2O3; Cr2O3; V2O3
и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на
его свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления
примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера,
происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из
металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен
для усвоения и удержания оксидов примесей;
2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из
печной атмосферы к жидкому металлу;
3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит
передача тепла металлу;
4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как
фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле
марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в
различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический
состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия
достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных
количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита и
др.
Основные реакции сталеплавильных процессов.
Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е.
очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода,
марганца, кремния, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из
железной руды или других окислителей, либо при продувки ванны газообразным
углеродом.
Окисление углерода. Особенность окисления углерода заключается в
том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из
металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости.
Реакцию окисления углерода, растворенного в металле можно написать в следующем
виде:
[C] + [O] = {CO}; K = 
где [C]; [O] - концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.
Как следует из уравнения для константы, при заданном значении рсо
произведение концентрации углерода и растворенного кислорода есть величина
постоянная. Следовательно, от концентрации углерода зависит концентрация
кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже
содержание кислорода в нем и наоборот.
Окисление и восстановление марганца. Марганец как элемент,
обладающий высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так
и при основном процессах. Реакции окисления и восстановления марганца можно
представить следующим образом:
[Mn] + [O] 
(MnO); [Mn] + (FeO) 
(MnO) + [Fe]
Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением температуры
и основности шлака концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает
на то, что реакция окисления марганца достигает равновесия, и окислительный
процесс сменяется восстановительным. Поскольку почти все стали содержат
марганец, то его восстановление в процессах плавки - явление желательное.
Окисление и восстановление кремния. Кремний обладает еще большим
сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в
период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:
[Si] + 2[O] = (SiO2); [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2 [Fe]
При плавке под основным шлаком SiO2 связывается в прочный силикат
кальция (CaO)2•SiO2, что обеспечивает почти полное
окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведения кремния
иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсивное восстановление
кремния.
Окисление и восстановление фосфора. Фосфор в стали является
вредной примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому
содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается
пределом 0,015 - 0,016 %. Окисление фосфора можно представить следующим
образом:
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe];
(P2O5) + 3(FeO) = (FeO)3• P2O5;
(FeO)3•P2O5 + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 3(FeO);
2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 5Fe.
Уравнение константы можно записать в следующем виде:
K = 
Откуда коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком:
L = (P2O5)/P2 = K
(FeO)5 
(CaO)4
Десульфация стали. Сера, также как и фосфор, является
вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции
Feж + [S] +(CaO) = (CaS) + (FeO).
Уравнение для константы имеет вид:
К = 
Коэффициент распределения серы
L = (S)/[S] = K(CaO)/(FeO).
Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака
способствует десульфации. Положительную роль оказывает также повышение
температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени
удалении серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем
сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные металлы.
Газы в стали. Газы (кислород, водород и азот) содержаться в любой
стали. Газы даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента оказывают
отрицательное влияние на свойства металла.
Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией: 
.
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным.
Растворимость водорода и азота в металле починяется закону Стивенса:
; 
, где pH и pN - парциальные давления газов; KH
и KN - растворимость водорода и азота при парциальном давлении
соответствующего газа равном, 0,1 МПа.
Уменьшение растворимости при переходе из жидкого в твердое состояние при
кристаллизации стали вызывает выделение газов из металла, что является причиной
образования ряда дефектов, например, флокенов
Всплывающие пузырьки СО
захватывают по пути вверх некоторое количество других газов - H2 и N
2 (рис 1).
Чем энергичнее протекает кипение металла, тем меньше содержание газов и тем
лучше качество металла. Для удаления H2 и N2 применяют
также вакуумную обработку, продувку ванны нейтральным газом (аргоном) и др.
Рис. 1 Схема удаления газов из
жидкого металла в процессе кипения
Раскисление стали. Для снижения содержания кислорода в стали
проводят ее раскисление. Это, как правило, последняя и ответственная операция в
процессе выплавки стали. Раскисление - это процесс удаления кислорода,
растворенного в стали, путем связывания его в оксиды различных металлов,
имеющих большее сродство к кислороду, чем железо.
Наиболее распространенными раскислителями являются марганец и кремний,
используемые в виде ферросплавов, и алюминий.
Реакции раскисления можно представить следующим образом:
[O] + [Mn] = (MnO)
2[O] + [Si] = (SiO2)
3[O] + 2[Al] = (Al2O3)
В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два метода
раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное раскисление.
При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В этом случае
требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления - оксиды
кремния, марганца, алюминия всплыли в шлак. При диффузном раскилении
раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл.
Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания
кислорода в металле происходит за счет его перехода из металла в шлак, т. е.
[O] ==> (O). При диффузионном раскислении не происходит загрязнение металла
неметаллическими включениями - продуктами раскисления.
Для более глубокого раскисления применяют обработку жидкого металла в вакууме
или синтетическими шлаками.
В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и
полуспокойную сталь.
Спокойная сталь - это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря
вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в
связанном с элементом-раскислителем состоянии. При разливки такой стали газы не
выделяются, и она застывает спокойно.
Кипящая сталь - это сталь, частично раскисленная марганцем. При разливке
в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков оксида углерода,
образующихся по реакции: [C] + [O] = {CO}.
Полуспокойная сталь - это сталь, по степени раскисленности занимающая
промежуточное место между кипящей и спокойной.
Полуспокойную сталь ракисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше
(кремнем, алюминием).
Производство стали в конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела
жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере
технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в
металл сверху.
Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был
осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице
(за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в
нашей стране - кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т,
продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.
Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового
производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в
возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием
металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей,
включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на
строительство, большой гибкостью и качеством продукции.
Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.
Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это обеспечивает
лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов,
заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих материалов. Кожух конвертера
выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной
части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона.
Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с
приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтально оси на 360о
со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для больше грузных конвертеров емкостью от 200
т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую
цапфу
Рисунок 2 Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма поворота
В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали
через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается
огнеупорной глиной, замешанной на воде.
Рисунок 3 Технологическая схема производства стали в кислородном конвертере
Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере
состоит из следующих основных периодов (рис 3); загрузки металлолома, заливки
чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.
Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в
наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового
типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер
устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу
кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Одновременно с началом
продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от
общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в
процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после
начала продувки.
На процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение фурмы
(расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление подаваемого
кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 - 3,0 м,
давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки
обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком.
Последнее в свою очередь способствует повышению скорости окисления
содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.
Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является шлакообразование.
Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и
других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и
качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром
формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и
т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса
(длительность продувки 14 - 24 минуты). Формирование шлака необходимой
основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в
шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав
шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести,
перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему
формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны
(поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500
о. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой
температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество
вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и
содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести
составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового
штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.
Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом
наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это
объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно
низких температурах (1450 - 1500о С и менее).
Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение,
т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и
рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.
Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является
неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течении
продувки.
С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс
дефосфорации - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в
первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком
содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро
увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить < 0,02
% Р в готовой стали.
Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать
таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в том,
что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака
(> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации
при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и
содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.
По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают,
конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания
металла и шлака) выливают в ковш.
Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому
заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое
проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали
по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие
добавки.
Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на
шлаковозе под конвертером.
Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом
и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей
- металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из
конвертера около 1600о С.
Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество
отходящих газов. Для использование тепла отходящих газов и отчистки их от
пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка для
очистки газов.
Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных
компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и
количество чугуна, лома, извести), а также о показателях процесса (количество и
состав кислорода, отходящих газов, температура и т. п.).
Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой.
В середине 60-х годов опытами по вдуванию струи кислорода, окруженной слоем
углеводородов, была показана возможность через днище без разрушения
огнеупоров. В настоящее время в мире работают несколько десятков конвертеров
с донной продувкой садкой до 250 т. Каждая десятая тонна конвертерной стали,
выплавленной в мире, приходится на этот процесс.
Основное отличие конвертеров с донной продувкой от конвертеров с верхним
дутьем заключается в том, что они имеют меньший удельный объем, т. е. объем
приходящийся на тонну продуваемого чугуна. В днище устанавливают от 7 до 21
фурм в зависимости от емкости конвертера. Размещение фурм в днище может быть
различным. Обычно их располагают в одной половине днища так, чтобы при
наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. Перед установкой
конвертера в вертикальное положение через фурмы пускается дутье.
В условиях донной продувки улучшаются условия перемешивания ванны,
увеличивается поверхность металл-зарождения и выделения пузырьков СО. Таким
образом, скорость обезуглероживания при донной продувке выше по сравнению с
верхней. Получение металла с содержанием углерода менее 0,05 % не
представляет затруднений.
Условия удаления серы при донной продувке более благоприятны, чем при верхней.
Это также связанно с меньшей окисленностью шлака и увеличением поверхности
контакта газ - металл. Последнее обстоятельство способствует удалению части
серы в газовую фазу в виде SO2.
Преимущества процесса с донной продувкой состоят в повышении выхода годного
металла на 1 - 2 %, сокращении длительности продувки, ускорении плавления лома,
меньшей высоте здания цеха и т. д. Это представляет определенный интерес,
прежде всего, для возможной замены мартеновских печей без коренной
реконструкции зданий мартеновских цехов.
Конвертерный процесс с комбинированной продувкой.
Тщательный анализ преимуществ и недостатков способов выплавки стали в
конвертерах с верхней и нижней продувкой привел к созданию процесса, в
котором металл продувается сверху кислородом и снизу - кислородом в защитной
рубашке или аргоном (азотом). Использование конвертера с комбинированной
продувкой по сравнению с продувкой только сверху позволяет повысить выход
металла, увеличить долю лома, снизить расход ферросплавов, уменьшить расход
кислорода, повысить качество стали за счет снижения содержания газов при
продувке инертным газом в конце операции.
Производство стали в мартеновских печах
Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического
лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от
конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла
шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия
значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь
подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем
пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.
Для обеспечение максимального использования подаваемого в печь топлива
необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем
пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем
теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода.
Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при
высоких температурах углекислого газа и воды.
Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е. в
ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в
мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному
воздействию окислительной атмосферы.
Для интенсификации горения топлива в рабочем пространстве часть воздуха
идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может
также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в
конвертере).
В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других
элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe
2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 и
др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми
шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все
периоды плавки.
Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят, как и при других
сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом,
раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда,
мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).
Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества
чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от
процесса, выплавляемых марок стали и экономических условий.
Рисунок 4
По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на
несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили
скрап-рудный и скрап-процессы.
При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %)
составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным
металлургическим циклом.
При скрап-процессе основную массу металлической массы шихты (от 55 до 75 %)
составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило, применяется в
твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного
производства.
Рисунок 5 Схема двухванной сталеплавильной печи:
1 – топливно-кислородные фурмы;
2 – фурмы для вдувания твердых материалов; 3 – свод печи; 4 – вертикальные
каналы;
5 – шлаковики; 6 – подины печей
Производство стали в электропечах
Электросталеплавильное производство - это получение качественных и
высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными
преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.
Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для
нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании
электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных
нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.
В отличие от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в
электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку
можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в
широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного
давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют,
главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.
Рисунок 6 Схема рабочего пространства дуговой электропечи:
1 – куполообразный свод; 2 – стенки; 3 – желоб;
4 – сталевыпускное отверстие; 5 – электрическая дуга; 6 – сферический
под; 7 – рабочее окно; 8 – заслонка; 9 – электроды
Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами
мощностью до 125 тысяч киловатт.
Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между
электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам
электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов,
ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги
превышает 3000о С. Дуга, как известно, может возникать при
постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При
горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки,
когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между
электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого
конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта -
металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его
температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене
полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит
прерывисто, неспокойно.
Рисунок 7 Дуговая сталеплавиль-ная печь.
После расплавлении шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака, дуга
стабилизируется и горит ровно.
Выплавка стали в кислых электродуговых печах
Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке
стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0-10 т. Кислая
футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом
условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов.
Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время
плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие
требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.
Плавление в кислой печи длится примерно так же, как в основной печи (50-70 мин).
В окислительный период удалятся меньшее количество углерода (0,1 - 0,2 %) и
из-за повышенного содержания FeO в шлаке металл кипит без присадок железной
руды. Содержание SiO2 в шлаке к концу окислительного периода
повышается до 55 - 65 %. Когда металл нагрет, начинается восстановление кремния
по реакции:
(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2COгаз
К концу окислительного процесса содержание Si в металле увеличивается до 0,2
- 0,4 %. Раскисление стали перед выпуском может проводиться как в печи, так и
в конце.
Способы интенсификации выплавки стали в большегрузных печах.
Одношлаковый процесс. Технология выплавки стали под одним шлаком без
восстановительного периода применяется для выплавки мартеновского сортамента
сталей. После окончания проведения окислите1льного периода присаживают
силикомарганец и феррохром в необходимом количестве для получения требуемого
химического состава данной марки стали, улучшают шлак добавкой извести, флюсов.
Затем сталь выпускают в ковш, где проводят окончательное раскисление и
легирование.
Рисунок 8 Технологическая схема производства стали в дуговой сталеплавильной
печи
Плавка с рафинированием в ковше печным шлаком.
Применяется на печах емкостью 100 - 200 т. После окончания окислительного
периода и раскисления металла наводят новый шлак с высоким содержанием СаО. В
течение 40 - 60 мин шлак раскисляют молотым коксом и ферросилицием. Перед
выпуском в шлак дают CaF2. Высокое (10 - 20 %) содержание CaF2
обеспечивает высокую рафинирующую способность шлака. При выпуске из печи вначале
выпускают в ковш жидкий шлак и затем мощной струей металл. Перемешивание
металла со шлаком обеспечивает высокую степень рафинирования от примесей (от
серы) и неметаллических включений. Одной из форм рафинирования стали в ковше
можно считать технологию синтетических шлаков на основе СаО - Al2O
3. В этом случае требуются дополнительные затраты для плавления шлака.
Плавка стали в индукционной печи.
В индукционных печах для выплавки металла используется тепло, которое
выделяется в металле за счет возбуждения в нем электрического тока переменным
магнитным полем. Источником магнитного поля в индукционной печи служит
индуктор. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи,
подвергается воздействию переменного магнитного поля, возникающего от
индуктора, нагревается в следствие теплового воздействия вихревых токов.
По сравнению с дуговыми электропечами индукционные печи имеют ряд
преимуществ: отсутствие электродов и электрических дуг позволяет получать стали
и сплавы с низким содержанием углерода и газов; плавка характеризуется низким
угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного
регулирования температуры металла.
Рисунок 9 Схема индукционной печи
1 – каркас; 2 – подовая плита; 3 – водоохлаждаемый индуктор; 4 – изоляционный
слой; 5 – тигель; 6 – абсоцементная плита; 7 – сливной носок; 8 – воротник; 9
– гибкий токоподвод; 10 – опорные брусья
Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного в индуктор.
Индуктор представляет собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой
трубки. Ток к индуктору подается гибкими кабелями. Воду для охлаждения
подводят резиновыми шлангами. Вся печь заключена в металлический кожух.
Сверху тигель закрывается сводом. Для слива металла печь может наклоняться в
сторону сливного носка.
Тигель печи изготавливается набивкой или выкладывается кирпичом. Для набивки
используют молотые огнеупорные материалы - основные (магнезит) или кислые
(кварцит).
Поскольку плавка в индукционной печи происходит очень быстро, шихта для нее
используется, как правило, из высококачественного металлолома известного
состава. Перед плавкой происходит точный расчет шихты по содержанию углерода,
серы и фосфора, а также легирующих элементов. Шихту загружают в тигель таким
образом, чтобы она плотно заполняла весь объем тигля. После загрузки шихты
включают ток на полную мощность. По мере проплавления шихты загружают
оставшуюся часть. Затем на поверхность металла загружают шлакообразующую
смесь, состоящую из извести, магнезитового порошка и плавикового шпата. В
процессе плавки шлак раскисляют добавками порошка кокса и молотого
раскислителя. По ходу плавки добавляют легирующие материалы. Металл
раскисляют кусковыми ферросплавами и в конце плавки алюминием.
В индукционных печах выплавляют, как правило, стали и сплавы сложного
химического состава.
Разливка стали
Разливка стали в слитки.
Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в сталеразливочный ковш,
предназначенный для кратковременного хранения и разливки стали.
Сталеразливочный ковш (рис ) имеет форму усеченного конуса с большим
основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным
шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на
специальной железнодорожной тележке.
Сталь из ковша разливают через один или два стакана, расположенных в днище
ковша. Отверстие закрывают или открывают изнутри огнеупорной пробкой при
помощи стопора.
Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т.
В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на
машинах непрерывной разливки.
Рисунок 10 Общий вид сталеразливочного ковша:
1 – цапфа; 2 – носок для слива шлака 3 – стопор; 4 – скоба для кантования ковша
Рисунок 11 Схема разливки стали по изложницам
A – разливка сверху: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – изложница; 3 – поддон;
Б – разливка сифоном: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая трубка; 3 –
прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонные трубки
Пути повышения качества стали
Непрерывное развитие техники представляет все более высокие требования к
качеству стали.
Многочисленные способы получения металлов высокого качества могут быть
условно разделены на три группы:
· Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата
· Выплавка стали в вакууме
· Специальные способы электроплавки металлов
Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата.
При внепечной обработке металл, выплавленный в обычном сталеплавильном
агрегате (мартеновской печи, конвертере или электропечи), подвергается
внешнему воздействию в сталеразливочном ковше. Основной целью внепечной
обработки жидкой стали в ковше является снижение содержания растворенных в
металле газов, неметаллических включений и серы.
В настоящее время нет такого способа обработки жидкой стали в ковше, который
позволил бы одновременно значительно снизить в металле содержание
неметаллических включений, серы и газов. Поэтому в зависимости от
поставленной задачи применяется тот или иной способ внепечной обработки
металлов.
Обработка металлов в ковше синтетическим шлаком приводит к снижению в стали
серы, неметаллических включений и кислорода. Сущность метода заключается в том,
что металл выпускают из печи в ковш, частично заполненный жидким шлаком (4 - 5
% от массы металла), который предварительно выплавляют в специальном агрегате.
Жидкий шлак и металл интенсивно перемешиваются. Сера, кислород и
неметаллические включения переходят из металла в шлак. При обработке металла
синтетическим шлаком важную роль играет его состав и физико-химические
свойства. Шлак должен иметь низкие температуру плавления и вязкость, а также
обладать высокой основностью и низкой окисленностью. Этим требованиям отвечают
известково-глиноземистые шлаки, содержащие 50 - 55 % СаО, 38 - 42 % Al2
O3, 1,5 - 4 % SiO2, 0,15 - 0,5 % FeO. Шлаки такого состава
обладают высокой рафинирующей способностью.
Повышение качества стали, обработанной синтетическим шлаком, компенсируют
затраты, связанные с выплавкой такого шлака.
Продувка металла в ковше порошкообразными материалами является одним из
современных способов повышения качества стали и производительности
сталеплавильных агрегатов.
Жидкий металл в потоке инертного газа (аргона) через фурму вводят
измельченные десульфураторы и раскислители. В результате такой обработки
можно получить металл с содержанием серы и кислорода менее 0,005 % каждого.
Обработка жидкой стали аргоном в ковше является наиболее простым способом
повышения качества металла. Аргон вдувают в жидкую сталь через пористые и
огнеупорные пробки, которые устанавливают в днище ковша. Аргон не
растворяется в жидкой стали, поэтому при продувке металла аргоном в объеме
жидкой стали образуется большое количество пузырей, которые интенсивно
перемешивают металл и выносят на его поверхность неметаллические включения.
Кроме того, водород и азот, растворенные в стали, переходят в пузыри аргона и
вместе с ним покидают жидкий металл, т. е. происходит дегазация стали.
Внепечная обработка жидкой стали вакуумом в промышленных масштабах стала
применятся сначала 50-х годов.
Существует большое количество методов вакуумной обработки стали. Некоторые
принципиальные схемы приведены ниже:
Рисунок 12
Наиболее простым способом является вакуумирование стали в ковше (а). В этом
случае ковш с жидким металлом помещают в герметичную камеру, из которой
откачивают воздух. При снижении давления в камере металл закипает вследствие
бурного выделения из металлов газов. После дегазации металла камеру
разгерметизируют, а ковш с вакуумированной отправляют на разливку.
Ковшевое вакуумирование неэффективно при обработке полностью раскисленной
стали и больших масс металла. В этом случае вследствие слабого развитии
реакции C + O = CO металл кипит вяло. Для улучшении дегазации стали вакуумную
обработку металлов в ковше совмещают с продувкой его аргоном и
электромагнитным перемешиванием. Обычно дегазацию металла в ковше проводят в
течении 10 - 15 мин. Более длительная обработка приводит к значительному
снижению температуры металла.
Парционное и циркуляционное вакуумирование стали (рис б и в ) применяют при
дегазации больших масс металла.
При парционном вакуумировании футурованная вакуумная камера не большого
объема помещается над ковшом с жидким металлом. Патрубок камеры, футерованный
изнутри и снаружи, погружен в жидкий металл. Под действием атмосферного
давления порция металла (10 - 15 % от общей массы) поднимается в камеру и
дегазируется. При движении ковша вниз или камеры вверх металл вытекает, а при
обратном движении вновь поднимается в камеру, для полной дегазации стали
необходимо провести от 30 до 60 циклов вакуумной обработки.
При циркуляционном способе вакуумирования стали применяют вакуумную камеру с
двумя патрубками. Жидкий металл из ковша поднимается в камеру по одному
патрубку, дегазируется и вытекает обратно в ковш по второму патрубку.
Происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру. Подъем
жидкой стали в камеру происходит за счет эжектирующего действия аргона,
который подают во входной патрубок.
Струйное вакуумирование металла применяется в основном при отливке крупных
слитков (рис г). этот способ является более совершенным, т. к. устраняется
вторичное окисление при разливке вакуумированного металла из ковша в
изложницы.
При отливке слитков в вакууме струя металла, переливаемого из ковша а
изложницу, установленную в вакуумной камере, разрывается выделяющимися газами
на множество мелких капель металла. Поверхность металла резко возрастает, что
приводит глубокой дегазации стали. Кроме того, сталь также дегазируется в
изложницы.
Последнее время для получения стали с очень низким содержанием углерода
обработку металла в вакууме совмещают с продувкой его кислорода или смесью
аргона и кислорода.
Производство стали в вакуумных печах.
Применение вакуума при выплавки стали позволяет получать металл практически
любого химического состава с низким содержанием газов, неметаллических
включений, примесей цветных металлов.
Как уже отмечалось, реакции дегазации и раскисления металла углеродом в вакууме
протекают более полно. Кроме того при плавки металла в глубоком вакууме (<10
-2 Па) из металла удаляются некоторые неметаллические включения.
Производство стали в вакуумных индукционных печах.
В настоящее время вакуумные индукционные печи делятся на периодические и
полунепрерывные. В печах периодического действия после каждой плавки печь
открывают для извлечения слитка и загрузки шихты. В печах полунепрерывного
действия загрузка шихты, смена изложниц и извлечение слитка проводятся без
нарушения вакуума в плавильной камере.
В промышленности применяют печи полунепрерывного действия. Печи
периодического действия используют в основном в лабораториях и для фасонного
литья. Емкость существующих вакуумных индукционных печей достигает 60 т.
Рисунок 13 схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия
Здесь показана схема вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия.
Печи этого типа имеют три камеры: плавильную (2), загрузочную (8) и камеру
изложниц (1). В плавильной камере установлен водоохлаждаемый индикатор с
огнеупорным тиглем (3), в котором проводиться плавление шихты. Каркас тигля,
выполненный из уголков нержавеющей стали, опирается на цапфы. При сливе
металла и чистке тигля последний наклоняется с помощью механического или
гидравлического привода. Камера изложниц и загрузочная камера сообщаются с
плавильной камерой через вакуумные затворы (6 и15), которые позволяют
загружать шихту в печь и выгружать слиток без нарушения вакуума в плавильной
камере. Присадка легирующих и раскислителей осуществляется через дозатор
(10), установленный на крышке печи (7). Для контроля процесса плавки печь
снабжена гляделкой (4) и термопарой (5).
Технология выплавки металла в вакуумной индукционной печи полунепрерывного
действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых
материалов. Для плавки применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и
влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой
шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и
расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций
жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до
давления 1,3 • 104 Па для предотвращения выплесков жидкого металла в
следствие бурного протекания реакции [C] + [O] = COгаз. После
полного расплавления шихты металл рафинируют при давлении 1,3 - 0,13 Па от
водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали
происходит в основном по реакции [C] + [O] = COгаз, равновесие
которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки
осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и
ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные
металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят
обычно в атмосфере аргона.
Основным недостатком вакуумных индукционных печей является контакт жидкого
металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению
металла материалом тигля.
Производство стали вакуумных дуговых печах.
Вакуумные дуговые печи (ВДП) подразделяют на печи с нерасходуемым и
расходуемым электродом.
Нерасходуемый электрод изготавливают из вольфрама или графита. При плавке с
нерасходуемым электродом измельченная шихта загружается в водоохлаждаемый
медный тигель и под действием электрической дуги расплавляется, рафинируется
от вредных примесей и затем кристаллизуется в виде слитка.
Эти печи промышленного применения не нашли, так как в них не возможно
получать слитки большой массы. В настоящее время распространение получили
вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.
Рисунок 134 Схема вакуумной дуговой печи
1 – источник питания; 2 – рабочая камера; 3 – электродержатель; 4 – механизм
подачи электрода; 5 – к вакуумным насосам; 6 – электрод; 7 – жидкий металл; 8
– слиток; 9 – кристаллизатор; 10 – шток для подъема поддона; 11 – поддон.
Здесь представлена схема ВДП с расходуемым электродом. Печь состоит из
рабочей камеры, медного водоохлаждаемого кристаллизатора,
электрододержателя, механизма подачи электродов и системы вакуумных насосов.
Расходуемый электрод крепится к электродержателю, который через вакуумное
уплотнение проходит сквозь верхний торец рабочей камеры.
Электродержатель служит для провода тока к электроду и фиксации его в камере
печи. Электродежатель с помощью гибкой подвески связан с механизмом подачи
электрода. Расходуемый электрод представляет собой подлежащий переплаву
исходный металл. Он может быть круглого или квадратного сечения. Как правило,
расходуемые электроды содержат все необходимые легирующие элементы. Диаметр
электрода выбирается таким, чтобы зазор между электродом и стенкою
кристаллизатора был больше длины дуги, горящей между электродом и ванной
жидкого металла. В противном случае возможен переброс электрической дуги на
стенку кристаллизатора.
Кристаллизатор представляет собой медную водоохлаждаемую трубку со стенкой
толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные.
При плавки металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по
ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких
металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кристаллизаторы.
Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится
ток.
Вакуумные дуговые печи работают как на постоянном, так и на постоянном токе.
При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается
на электрод, «минус» – на слиток.
После установки расходуемого электрода в камере печи и откачки ее до
необходимого давления (около 10-2 Па) зажигают электрическую дугу
между электродом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора.
Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется и
капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По
мере оплавления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания
расстояния между электродом и металлом.
Рафинирование металла от вредных примесей происходит во время прохождения
жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в
кристаллизаторе.
Одним из преимуществ вакуумного дугового переплава является отсутствие
контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недостаток –
ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что существенно
снижает рафинирующие возможности вакуума.
Плазменно-дуговая плавка.
Плазменная плавка специальных сталей и сплавов является одним из важных способов
получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии
является низкотемпературная плазма (Т = 105 К). Плазмой называется
ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных
зарядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %.
Низкотемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический
разряд газообразного вещества. В этом случае газ ионизируется и образуется
плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют
аргон.
Для плавки стали применяют два типа агрегатов: печи с огнеупорной футеровкой
и медным водоохлаждаемым кристаллизатором.
Рисунок 145 Плазменные печи с огнеупорной футеровкой
Плазменные печи с огнеупорной футеровкой во многом похожи на дуговые
сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной
печи вместо графитовых электродов устанавливают один (4) или три плазматрона,
что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна
жидкого металла, ток к которой подводится через подовой электрод (6).
Металлургические возможности плазменных печей с нейтральной атмосферой очень
широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и
неметаллических включений, легировать азотом.
Рисунок 16 плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором
Схема плазменно-дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором.
Переплавляемая заготовка с помощью механизма подачи через уплотнение подается в
герметичную камеру. Оплавление заготовки осуществляется двумя плазматронами.
Формирование слитка происходит в кристаллизаторе. По мере наплавления слиток
вытягивается из кристаллизатора.
Слитки полученные этим способом, имеют высококачественную поверхность.
Заключение
Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его
металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не
замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.
Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как
чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее
человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на
металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, основа основ
технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням
развития, тем больше его нужда в металлах.
Список рекомендуемой литературы:
1. Основы металлургического производства (черная металлургия)
Москва «Металлургия» 1988
2. Энциклопедия «Радость познания»
Том 1 «Наука и вселенная»
Москва «МИР» 1983