«ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ» СОДЕРЖАНИЕ Введение 1 Классификация стали 2 Сталеплавильные шлаки 3 Неметаллические включения в стали 4 Раскисление и легирование стали 4.1 Раскисление стали 4.2 Легирование стали 5 Шихтовые материалы сталеплавильного производства 6 Конвертерное производство стали 6.1 Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем 6.1.1 Плавка в бессемеровском конвертере 1.2 Плавка в томасовском конвертере 6.2 Кислородно-конвертерные процессы 7 Мартеновское производство стали 7.1 Разновидности мартеновского процесса 1.1 Основной мартеновский процесс 1.2 Кислый мартеновский процесс 8 Выплавка стали в электрических печах 8.1 Электрический режим 8.2 Выплавка стали в основных дуговых электропечах 8.3 Выплавка стали в кислых дуговых электропечах 8.4 Сталь – это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы – примесями, растворенными в железе.
Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные.
Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические (межзеренные) связи.
В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05 – 0,50 %, но может достигать ≥ 1 % (теоретически до 2,14 %). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 – 0,6 %) и кремний (0,15 – 0,3 %). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.
Металлургия стали как производство возникла примерно 3,5 тыс. лет назад в районе Суэцкого залива (Сирия, Египет). Путь развития черной металлургии можно разделить на несколько этапов. По применяемому основному сырью или технологической схеме сталеплавильное производство имеет два основных этапа развития: 1) прямое получение стали из железных руд так называемым сыродутным процессом, т.е. одноступенчатое производство по схеме железная руда – сталь; 2) получение стали путем рафинирования чугуна, т.е. двухступенчатое производство по схеме железная руда – чугун – сталь.
Развитие производства стали путем рафинирования чугуна, обеспечивающее наибольший технический прогресс, в свою очередь имеет три важных этапа развития, на каждом из которых, как правило, использовалось несколько способов получения стали. Первый этап – передел чугуна в сталь, получаемую в тестообразном состоянии в виде крицы (сварочного железа). Он начался с применением кричного процесса, на смену которому пришел пудлинговый процесс (1784 г Англия). Второй этап – передел чугуна в жидкую сталь без добавки или с добавкой лома (скрапа) в агрегатах периодического действия без применения кислородного дутья.
Начало этого этапа связано с созданием бессемеровского процесса (1855 – 1860 гг Англия). Дальнейшее его развитие привело к разработке мартеновского (1864 – 1865 гг Франция), томасовского (1877 – 1879 гг Англия) и электродугового (1900 г Франция) процессов.
Переход к получению стали в жидком состоянии позволил совершить скачок в интенсификации производства – в повышении производительности агрегатов и улучшении качества стали. Третий этап – передел чугуна в жидкую сталь в агрегатах периодического действия с применением кислородного дутья. Это современный этап развития сталеплавильного производства, имеющий следующие особенности: внедрение в широкое использование кислородно-конвертерного процесса (1952 1953 гг Австрия); применение кислорода для интенсификации мартеновского и электродугового процессов; широкое использование в целях повышения качества стали способов внеагрегатной (ковшовой) обработки жидкой стали – синтетическими шлаками или шлаковыми смесями, вакуумом, инертными газами в сочетании с микролегирующими порошками или без них, а также способов переплава стали в особых условиях (электрошлакового, вакуумно-дугового, электронно-лучевого, плазменно-дугового). 1 КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и составу.
Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.
Классификация стали и требования к ее составу и качеству обусловлены соответствующими государственными стандартами и техническими условиями. По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. По назначению можно выделить следующие основные группы сталей: а) конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и легированными.
Легированная сталь несколько дороже углеродистой, но так как она обладает значительно лучшими механическими свойствами, то расход ее на изготовление тех или иных конструкций значительно ниже, чем углеродистой; б) топочная и котельная сталь – низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок.
Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению; в) сталь для железнодорожного транспорта – рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь, к ней предъявляются высокие требования при механических испытаниях, например на усталость, при проверке сплошности структуры металла; г) подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.
К этой стали, содержащей около 1% С и 1,5% Cr, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений; д) инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она содержит обычно значительное количество углерода, а также в ряде марок – значительное количество легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.
Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорнопружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и другие. По качеству стали делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений.
По химическому составу различают стали: углеродистые, низколегированные, легированные. По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Поведение металла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизируется слиток.
Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризирует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количествах и другие параметры. 2
Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его... В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имеется больше... Кроме того, при введении плавки в ванну обычно добавляют различные флю... в каждом конкретном случае степень влияния перечисленных загрязнений н... При необходимости проводят операции обновления (скачивания) шлака, ког...
Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, ... 4 . Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и... Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения ... Неметаллические включения в стали.
5 . Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное «кипение» ме... 4.2 Легирование стали Легированием называют процесс присадки в сталь л... Во всех случаях для удешевления стали стремятся использовать максималь... В эту группу входят как элементы обладающие неограниченной растворимос...
Поэтому все отходы стали легированных марок хранят отдельно и за их ис... 6 . Сбор этого лома и его обработка с целью рационального использования пр... В отдельных случаях для ускорения плавки и повышения производительност... Также используется продукт прямого восстановления железной руды – мета...
Конвертерное производство стали 6.1
Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до темпер... 6.1.1 . – С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футе... Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский... Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем.
За время продувки окисляется углерод, кремний и марганец чугуна и из о... После того, как углерод окислится до заданного содержания, продувку за... 6.1.2 . Плавка в бессемеровском конвертере. В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7 – 1,25 % Si; 0,5 – 0,8 ...
В конвертер для образования основного шлака загружают известь (12 – 18... За это время окисляется углерод, кремний и марганец; из продуктов окис... Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0... 6.2 . Плавка в томасовском конвертере.
Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют проце... затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конве... не больше, чем мартеновская. Тепла, которое выделяется при окислении с... Кислородно-конвертерные процессы. 7 .
7.1 . Уже в начале ХХ в. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения мета... недостаточна для получения жидкой стали). Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горя...
В зависимости от состава шихты мартеновский процесс делят на несколько... Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 – 45 %) чугун... В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун скрап любого сос... Основная масса шихты (55 – 75 %) – жидкий чугун. Когда металлическая ш... 7.1.1 .
Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образую... Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не ... После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железной руды. Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после око...
Требования к сырым материалам и топливу. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом ... В результате через некоторое время после расплавления скорость восстан... Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс – с ограничени... Начинается интенсивное кипение.
В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавля... 8.1 . В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые электр... Выплавка стали в электрических печах.
Электрический режим. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении темп... При приложении к ним напряжения достаточной величины происходит эмисси... В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между электродами и металлом... 8.2 .
Технология плавки с окислительным и восстановительным периодами или тр... 8.3 . Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислитель... Выплавка стали в основных дуговых электропечах.
Выплавка стали в кислых дуговых электропечах. Широкое распространение кислых электропечей в литейных цехах связано с... 8.4 Выплавка стали в индукционных печах В индукционной бессердечниково... Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри ... Положительная сторона этого явления в том, что благодаря перемешиванию...
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Достоинствами бессемеровского и томасовского процессов являются: высокая производительность, простота устройства конвертера, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при мартеновском и электросталеплавильном процессах, капитальные затраты и расходы по переделу.
Однако обоим процессам был присущ большой недостаток – повышенное содержание азота в стали, вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская стали обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению.
В период с 1955 по 1975 г. бессемеровский и томасовские процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья. По сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды. Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали.
Несмотря на высокие качества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплавляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуговых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой мартеновской стали значительно выше, чем основной. Применяемый в качестве шихтовых материалов кислого мартеновского процесса чугун, металлическая заготовка или жидкий полупродукт с малым количеством примесей в два с лишним раза дороже шихты, используемой в основных мартеновских печах.
Кроме того, производительность кислых мартеновских печей значительно ниже, чем основных. В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий. Основные достоинства дуговых электропечей заключаются в возможности: быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов; возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак; плавно и точно регулировать температуру металла.
Индукционные печи имеют следующие преимущества по сравнению с дуговыми: а) отсутствуют высокотемпературные дуги, что уменьшает поглощение водорода и азота и угар металла при плавление; б) незначительный угар легирующих элементов при переплаве легированных отходов; в) малые габариты печей, позволяющие поместить их в закрытые камеры и вести плавку и разливку в вакууме или в атмосфере инертного газа; г) электродинамическое перемешивание, способствующее получению однородного по составу и температуре металла.
Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки и низкая температура шлаков, которые нагреваются от металла; из-за холодных шлаков затруднено удаление фосфора и серы при плавке.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. – 6-е изд доп. и перераб. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 768 с. 2. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского. – М.: Металлургия, 1983. – 584 с. 3. Воскобойников В.Г. Технология и экономика переработки железных руд [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников. – М.: Металлургия, 1977. – 255 с. 4. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали [Текст]: учебник для вузов / В.А. Кудрин. – М.: Мир, 2003. – 528 с. 5. Бигеев А.М. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / А.М. Бигеев. – 2-е изд доп. и перераб. – М.: Металлургия, 1988. – 480 с.