Электросталеплавильное производство стали

Электросталеплавильный способ

Способы производства стали

С момента изобретения стали, менялись и совершенствовались способы ее производства. В настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали. К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства (или плавления) стали. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ. Давайте остановимся на каждом способе более подробно и рассмотрим их отличия.

Кислородно-конвертерный способ

Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров воздуха. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

Для осуществления этого метода необходим конвертер. Подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемую фурму под давлением. В данном случае, процесс окисления является наиболее значимым. Окисление чугуна происходит под воздействием дутья. В результате окисления выделяется тепло, что способствует снижению примесей и повышению температуры металла. далее происходит так называемое раскисление металла.

Мартеновский способ

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Обязательное условие – топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 – 6 часов. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

Электросталеплавильный способ

В результате электросталеплавильного способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных электрических печах. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали – использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов.

Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор. Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговая сварка.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После такой выплавки, сталь дополнительно переплавляют вакуумным дуговым переплавом. Что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях. Мы рассмотрели основные способы производства стали. Выбор способа всегда зависит от поставленных задач, удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов. Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.

64.Механические свойства стали — наиболее объективные показатели ее качества, отражающие эксплуатационные характеристики отливок. Согласно современным физическим представлениям, механические свойства и целый ряд эксплуатационных свойств сталей являются структурно-чувствительными. Они определяются не столько силами межатомного взаимодействия, сколько наличием структурных несовершенств: точечных (вакансии, междоузельные атомы, атомы примесей), линейных (цепочка точечных дефектов, дислокации), двухмерных (поверхность твердого тела, границы зерен, субзерен, двойников), трехмерных (поры, неметаллические включения, фазы выделения). При нагрузке пластическая деформация и разрушение определяются условиями скольжения дислокаций, которые зависят от взаимодействия последних с другими видами кристаллических дефектов.

Таким образом, в показателях механических свойств сталей суммируется влияние важных технологических факторов: состава, плотности и однородности структуры, природы и характера неметаллических включений. Поэтому значения механических свойств являются уникальными показателями качества стального литья.

В соответствии с ГОСТ 977-88 определение механических свойств стали в отливках проводят на образцах, вырезанных из специально отлитых пробных брусков или отливок. Пробные бруски рекомендуется отливать в середине разливки каждой плавки

65.По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую (конструкционную и инструментальную) и легированную (низколегированною и высоколегированную)

66.Вредные примеси: сера, фосфор, а также скрытые примеси – газы: кислород, азот водород.

Сера, фосфор. Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также придает стали красноломкость при прокатке и ковке. Повышенное содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления изделий неответственного назначения, т.к. сера улучшает обрабатываемость стали. Основной источник серы в стали — это исходное сырье, т.е. чугун. Фосфор также снижает пластичность железа, т.к. резко отличается от него по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Основной источник фосфора в стали – это руда, из которой выплавлен исходный чугун.
Кислород, водород, водород, азот.
Даже небольшую присутствие этих примесей оказывает резко отрицательное воздействие на свойства стали. Кислород и азот способствуют снижению вязкости и пластичности стали. Повышенное содержание водорода делает сталь хрупкой, а также приводит к образованию внутренних трещин – флокенов. Для выведения скрытых примесей используется метод вакуумирования.

67. Сталь (от нем. Stahl) [1] — сплав железа с углеродом и/или с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14% углерода (при большем количестве углерода в железе образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичностьи вязкость

тали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые [2] и легированные [3] ; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11% легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

По степени раскисления и характеру затвердевания — стали спокойные, полуспокойные и кипящие.

68.Алюми́ний — элемент 13-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элемент главной подгруппы III группы), третьего периода, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (послекислорода и кремния).

Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белогоцвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- иэлектропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

69.Изобретение относится к металлургии, в частности к получению легких сплавов на основе алюминия. В расплав на основе алюминия вводят лигатуру, содержащую частицы тугоплавкого соединения. В качестве лигатуры используют порошок микронных размеров тугоплавкого соединения, частицы которого покрывают слоем равномерно перемешанной смеси нанопорошка алюминия и углеродных нанотрубок, при следующем соотношении компонентов, мас.%: тугоплавкое соединение 80-90, нанопорошок алюминия 5-10, углеродные нанотрубки 5-10. Обеспечивается повышение прочности и износоустойчивости дисперсно-упрочненных легких сплавов на основе алюминия. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

70. Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами — его процентное содержание;

АМц — алюминиево-марганцевый сплав.

АВ — алюминиево-кремниевый (авиаль).

В — высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла.

71. Сортамент листовой и профильной стали. Стальные конструкции изготовляют из элементов, получаемых прокаткой (листы и профильная сталь). В строительстве применяют следующие виды проката:

-толстолистовой — толщиной 4—160 мм, для изготовления листовых конструкций (резервуаров, газгольдеров и др.), стенок балок, фасонок ферм и др.;

-тонколистовой — толщиной 0,5—4 мм, для изготовления гнутых профилей, устройства покрытий и т. п.;

-широкополосный, для изготовления сварных балок и колонн;

-уголковые профили — равнополочные и неравнополочные, применяются для изготовления ферм и других решетчатых конструкций;

-швеллеры и двутавры применяются для изготовления балок и колонн;

-гнутые профили, получаемые холодным способом из листов толщиной 2—10 мм, предназначенные для изготовления легких конструкций различной формы, эффективность гнутых профилей ПО’ сравнению с прокатными — их большая жесткость и легкость;

Электросталеплавильное производство стали

III. Электросталеплавильное производство

Выплавка стали в электрических печах составляет около 8% от выплавки всей стали.

В ближайшее время намечена установка дуговых плавильных агрегатов емкостью 80 и 180 т и индукционных вакуумных печей емкостью 1 и 3 г.

Читать еще:  Способы сварки нержавеющей стали

1. Характеристика сталеплавильных печей

Характеристика дуговых плавильных печей

2. Плавка стали в дуговых печах

Технико-экономические показатели работы дуговых электропечей зависят от мощности трансформатора, способа загрузки шихты, сортамента выплавляемых сталей, способа выплавки, стойкости футеровки, организации работы в цехе, выхода годного.

Средняя продолжительность плавок легированных сталей при выплавке на свежей шихте с рудным кипом без применения кислорода составляет 5 час. — 6 час. 30 мин.; удельный расход электроэнергии при этом 750-850 квт-ч/т.

Общие простои дуговых электропечей лучших цехов составляют 4-5%.

Применение кислорода сокращает продолжительность плавки, повышает производительность электропечей на 20-25% и сокращает расход электроэнергии на 1 т стали до 30%.

Технико-экономические показатели плавок быстрорежущий Р18 и нержавеющей стали 1Х18Н9Т

Основная масса стали выплавляется в дуговых электропечах двумя методами: без использования легированных отходов и с их использованием (до 70%). Применение кислорода позволило в обоих случаях при необходимости проводить окисление стальной ванны.

Плавка стали в дуговой электропечи состоит из трех периодов: загрузки агрёгата шихтовыми материалами, расплавления твердой садки и выдержки жидкого металла. За период выдержки ванны проводятся окислительные и восстановительные процессы или только восстановительные.

Расплавление шихты проводится на максимальной мощности трансформатора. Окисление ванны осуществляется железной рудой и кислородом. Диффузионное раскисление металла проводится под белым, карбидным или слабо-карбидным шлаками.

В качестве глубинных раскислителей ванны применяются силикокальций, металлический кальций, силико-цирконий, алюмобарий, церий, магний и ряд других металлов и сплавов.

Для обеспечения более высокого качества металла и оптимального теплового режима плавок применяются специальные термопары (вольфрамо-молибденовые, платина-платинородиевые и др.), позволяющие контролировать температуру металла и шлака по ходу плавки и температуру футеровки.

В целях снижения индуктивных потерь в СССР впервые разработана и осуществлена на некоторых печах трехбифилярная короткая сеть («треугольник» на электродах). Более 90% всей стали отливается сифоном в чугунные изложницы.

Развес слитков колеблется от 150 кг до 30 г. Стали с высоким содержанием титана разливаются в инертной атмосфере.

Режим дугового электреобогрева слитков

Применение электрообогрева прибылей быстрорежущих слитков повышает выход годного проката на 8-9%.

Непрерывная разливка нержавеющей стали 1Х18Н9Т снижает обрезь металла при прокате и повышает выход годного на 12%.

Применение высокоглиноземистых огнеупоров (Аl2O3 — 75%) увеличивает срок службы сталеразливочных ковшей в 1,5-2 раза и снижает загрязненность металла неметаллическими включениями.

3. Плавка стали в индукционных печах

В индукционных печах выплавляются в основном высоколегированные стали и сплавы специального назначения, имеющие низкое содержание углерода (не более 0,05%) и кремния (не более 0,15%). Емкость индукционных печей колеблется от 150 кг до 8 г.

Техническая характеристика двух типов индукционных вакуумных печей

4. Футеровка плавильных печей

Для изготовления футеровки дуговых и индукционных печей используются высокоогнеупорные основные и кислые материалы. Кислая футеровка выполняется из кварцита (98,8% Si02) с различным зерновым составом.

Основная футеровка индукционных плавильных печей выполняется из магнезито-хромита, глинозема, окиси циркония и других огнеупорных материалов.

Футеровка дуговых печей изготовляется из различных материалов, а именно: подины изготовляются из шамота, магнезитового кирпича и магнезитовой набивки (150-190 мм). Стены печей выполняются тремя, четырьмя блоками из магнезита, доломита (42%) и каменноугольного пека (8%). Своды преимущественно набираются из магнезито-хромитового термостойкого кирпича.

Высокую стойкость показали подины из магнезитового кирпича без набойки и с применением для набивного слоя магнезито-хромитовой массы.

Стойкость основной футеровки электропечей (в плавках)

* (После 50 плавок тигель заменяют новым независимо от состояния футеровки.)

Курсовая работа «Электросталеплавильный способ»

СКАЧАТЬ: Kursovoy_3.zip [207,46 Kb] (cкачиваний: 42)

Краткий исторический обзор развития электрометаллургии стали и ферросплавов

2 Специальная часть

3 Расчетная часть

4 Список используемой литературы

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства – хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других элементов.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства связаны с использованием для нагрева металла электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близи от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать значительную мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, вводить в печь большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что предполагает малый угар легирующих элементов; плавно и точно регулировать температуру металла; более полно, чем других печах раскислять металл, получая его с низким содержанием неметаллических включений; получать сталь с низким содержанием серы. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке относительно легко поддаются контролю и регулированию, что очень важно при автоматизации производства.

Электропечь лучше других приспособлена для переработки металлического лома, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не затрудняет процесс расплавления. Металлизованные окатыши, заменяющие металлический лом, можно загружать в электропечь непрерывно при помощи автоматических дозирующих устройств.

В электропечах можно выплавлять сталь обширного сортамента.

Краткий исторический обзор развития электрометаллургии стали и ферросплавов.

Развитие современной техники и промышленности основано в основном на применении металла. Получение достаточных количеств металла, обладающего нужными механическими, физическими и физико-химическими свойствами, позволяет сооружать мощные гидроэлектростанции, атомные реакторы и строительные конструкции, а также создавать аппараты химического производства, ракеты и электронно-вычислительные машины.

Интенсивное развитие техники и промышленности способствует увеличению числа применяемых сплавов и изменяет соотношение в удельном объеме производства. Однако первостепенное значение для развития промышленности имеет сталь. Сталеплавильное производство по объему и стоимости продукции превосходит производство других металлов и сплавов вместе взятых. В 1980 г. мировое производство стали превысило 700 млн. т.

Значительный объем производства объясняется широким распространением железных руд (в земной коре содержится железа 4,2%, оно занимает четвертое место после кислорода 49,13%) , относительной легкостью и дешевизной восстановления железа и руд, прекрасными свойствами стали как конструкционного материала. Сталь обладает высокой прочностью, пластичностью, легко поддается механической обработке и сваривается. Присадками легирующих элементов и термической обработкой можно в широком диапазоне изменять ее механические свойства, а также придавать особые физические и химические свойства. Значение легированных сталей особенно возросло в последние годы в связи с увеличением потребностями в стали с особыми свойствами и производство их равно 10 % от общего производства стали. Мировое производство стали в 1850г. составило 50тыс. т, в 1900г. 29млн. т, а в 1968 г. превысило 0,5 млрд. т.

Первым способом производства стали был процесс, предложенный в 1856г. Генри Бессемером и вызвавший переворот в промышленности и железнодорожном строительстве. Бессемеровский процесс впервые позволил получать жидкую сталь из чугуна, за малое время. В этом способе окисление осуществляется в конверторе продувкой жидкого чугуна воздухом.

Здесь тепловые потери невелики и тепла, выделяющегося в результате окисления примесей хватает для нагрева стали до 1600 С.

В 1864г. Мартен, применил разработанный Сименсом принцип регенерации тепла, построил первую печь, которая позволяла получать жидкую сталь из чугуна и переплавлять стальной лом. Эти 2 процесса в своем первом виде, не обеспечивали удаления фосфора и серы из металла, что ограничивало их применение. В 1879г. С. Томас положил начало выплавки стали основным процессам, предложив футеровать конвертор доломитом. Все эти процессы вместе с томасовским расширили возможности сталеплавильного производства.

Наряду с этими процессами, появились первые электросталеплавильные печи. Способ выплавки стали в электрических печах был запатентован еще в 1853г. Пишоном, который разработал конструкцию дуговой печи косвенного действия, т.е. с дугами, горящими между электродами над металлической ванной. В 1879г. Сименс создал печь прямого действия, в которой одним из полюсов электрической дуги явилась металлическая ванна. Однако прототипом современных сталеплавильных печей явилась печь Геру, который в 1899г. изобрел печь прямого действия с 2 электродами, подводимым к металлической ванне. Ток м/у электродами при этом замыкался через ванну, а дуга горела м/у каждым из электродов и металлом или частично покрывающим его шлаком. Первые дуговые печи Геру с 2 электродами были маломощными. Работали они на напряжении 45 В при силе тока 2-3 кА на жидкой шихте и использование их для ведения плавки на тв. завалке вызвало значительные трудности. Первые трехфазные дуговые печи были установлены в 1907г. в США и в 1910г. в России. Вскоре такие печи были построены в ФРГ, Франции и других странах. Широкие возможности в выборе шихты, неограниченный сортамент выплавляемой стали и высокое ее качество, легкость регулирования тепловых процессов, маневренность в последовательности плавок определили распространение трехфазных дуговых печей, которые заняли важное место в сталеплавильном производстве. В дальнейшем трехфазные дуговые печи были в значительной мере усовершенствованы, и в настоящее время они представляют собой крупные легко управляемые агрегаты с высокой степенью автоматизации. Значительные изменения дуговая электропечь претерпела в 60-х годах ХХ в. следствие мощности трансформаторов, совершенствования электрического и технологического режимов плавки производительность дуг.печей в этот период возросла в 2-4 раза по сравнению с производительностью печей аналогичной емкости в 1950-1960 гг. Появилась возможность повысить производительность печей до 100т/ч. Увеличение емкости печей и повышение мощности трансформаторов вызвали значительные улучшения технико – экономических показателей электросталеплавильного производства и определили основные направления его развития. При переходе на мощные трансформаторы разработана новая технология плавки, предусматривающая сокращение восстановительного периода, когда электрическая мощность используется неэффективно. На рубеже XIX и ХХ вв. были созданы и другие электропечи, например индукционные. Первая промышленная индукционная печь с железным сердечником была установлена в Гизинге (Швеция) в 1900 г. Дальнейшего развития эти печи не получили, с 1925 г. в промышленности использовали индукцилнные печи без сердечника. Благодаря развитию атомной энергетики, произошло улучшениу вакуумной техники. Поэтому в 1945-1946 гг. в США было установлено несколько вакуумных индукционных насосов. Несмотря на это, развитие вакуумный индукционный способ получил только в 1950 – 1951 гг. и в дальнейшем связано с развитием ракетной техники и реактивной авиации, требующих применения металлов особой частоты. В 1958 г. были установлены вакуумные индукционные печи с 2,5 – т тиглями, в 1961 г. – 6 — т , в 1968 г. – 15 – т, в 1978 г. – 25 – т.

Читать еще:  Столярный станок по дереву своими руками

Развитие индукционных печей вызвало развитие вакуумного дугового переплава в водоохлаждаемого кристаллизатора, позволяющего получать не только очень чистый, но и плотный слиток металла без зональной химической неоднородности. Методом вакуумного дугового переплава получают слитки массой в десятки тонн. Вакуумный дуговой переплав (ВДП) ведут при остаточном давлении 0,2-1,2 Па и такое давление является оптимальным с учетом дегазации металла и условий горения дуги. Дальнейшее понижение давления оказалось возможным при использовании для нагрева металла вместо электрической дуги электронного луча, не требующего для своего прохождения ионизации газов. Это, а также возможность переплавлять самые тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден) и поддерживать жидкую ванну в вакууме в течение любого промежутка времени, способствовали развитию электроннолучевого метода получения металла, промышленное применение которого началось в конце 50 – х годов ХХ в. Наряду с процессами плавки в вакууме были разработаны новые способы электроплавки в обычной атмосфере. Важное значение для развития сталеплавильного производства имеет разработанный в 1952 – 1953 гг. в институте электросварки им. Е. О. Патона АН УССР способ электрошлакового переплава (ЭШП) расходуемых электродов, который в настоящее время наряду с ВДП получил широкое применение в качественной металлургии. Высокое качество металла при небольших затратах и простоте производства способствовало быстрому распространению способа ЭШП не только на отечественных заводах, но и на зарубежных. Сегодня находит применение и метод плазмено- дугового переплава (ПДП) стали и тугоплавких металлов с получением слитка в водоохлаждаемом кристалле. Переплав ведут в инертной атмосфере аргона[6].

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

  1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
  2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
  3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

  1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
  2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

  1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
  2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
  3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

  1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
  2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
  3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
  2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
  3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
  4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
  5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
  6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
  7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.
Читать еще:  Стойка под болгарку своими руками

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Электросталеплавильное производство

Потребности в высококачественных конструкционных материалах непрерывно возрастают. Высококачественные стали имеют малые концентрации серы (ниже 0,02%), фосфора (менее 0,01%), кислорода, неметаллических включений и других вредных примесей, содержат различные легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, молибден, титан, ванадий). Такие стали производят в электросталеплавильных печах. В них можно создавать и регулировать необходимую температуру, включая весьма высокую, вести плавку в вакууме и контролируемой атмосфере (окислительной, восстановительной, нейтральной).

Конструкции электропечей разнообразны: дуговые, индукционные, плазменные, электронно-лучевые и др. Основное количество сталей выплавляют в дуговых и индукционных печах. В дуговых печах (рисунок 5.3) нагрев металла происходит за счет тепла, выделяемого дугами, которые горят непосредственно между электродами и металлической садкой.

Мощные дуговые печи на переменном токе имеют диаметр ванны около 7,0 м, глубину 1,5 м, общую высоту до 5 м, диаметр графитированного электрода 600 мм. Вместимость печей достигает 100 т.

1 – свод; 2 – стенки; 3 – желоб; 4 – сталевыпускное отверстие;

5 – электрическая дуга; 6 – подина; 7 – рабочее окно; 8 – заслонка;

9 – электроды; 10 – шлак; 11 – металл

Рисунок 5.3 – Схема дуговой электропечи

В последние 20 лет внедряются печи постоянного тока, на которых сокращается расход графитовых электродов в 1,5–2,0 раза, электроэнергии – на 5–10%, ферросплавов и огнеупоров – на 15–20%, увеличивается выход металла на 2–4%. Снижается уровень шума, выделение технологических газов и пылей, стабилизируется электрический режим. Это обусловлено тем, что при переменном токе электрод работает, переменно анодом и катодом с частотой 50 раз в секунду, что снижает устойчивость горения дуги. При использовании постоянного тока электрод служит катодом, эмиссионная способность которого выше и устойчивее.

Футеровку дуговых электропечей выполняют из основных или кислых огнеупоров. Наиболее распространены печи с основной футеровкой. При производстве стали в основных электропечах шихту составляют стальной лом, легированные металлические отходы, передельный чугун, шлакообразующие, легирующие добавки, раскислители и другие материалы. Плавки ведут двумя способами: с полным окислением и без окисления примесей.

Процесс с полным окислением проводят тогда, когда перерабатывают материалы с повышенным содержанием фосфора и серы. Для окисления этих элементов и углерода загружают железную руду. Для связывания окисленных примесей и нормального шлакообразования в печь присаживают известь, плавиковый шпат и другие добавки.

После окисления примесей переходят к восстановительному периоду плавки для раскисления (удаления кислорода) металла и удаления серы. На этом этапе, используя сильные восстановители (молотый кокс, 75% ферросилиций, силикокальций, алюминий), переокисленный шлак (оксиды железа и марганца) восстанавливают до металла.

Конечный шлак восстановительного периода имеет состав, %:

55–60 (СаО + СаF2); 18–23 SiO2; 9–14 MgO; 5–10 Al2O3; по 0,5 и менее FeO, MnO, S.

Плавка без окисления (переплав) применяется для легированных отходов, количество которых на заводах высококачественных сталей достигает 25 – 40 % массы слитка. Процесс позволяет экономно использовать легирующие элементы шихты и ферросплавов. Окислительный период здесь отсутствует. Для перевода оксидов в шлак и защиты стали от окисления в печь добавляют некоторое количество извести.

Плавку в кислых дуговых печах применяют при производстве фасонных стальных отливок из ковкого чугуна. Сера и фосфор в кислых шлаках, содержащих до 50% и более оксида кремния, не удаляется, поэтому содержание в исходной шихте этих примесей не должно превышать 0,03%. Преимущество плавки заключается в повышении стойкости футеровки печи.

Электросталеплавильное производство характеризуется относительно небольшим газо- и пылевыделением. Выбросы электродуговых печей составляют, кг/т металла: 1,2–1,5 СО; 0,25–0,30 NOx; 7–10 пыли.

Технико-экономические показатели плавки в дуговых печах: продолжительность 3–4 часа, расход электроэнергии 500–800 кВт×ч и электродов – 5–9 кг на 1 т стали, выход годного металла 88–90%, стоимость шихтовых материалов 50–60% от стоимости последнего.

Для выплавки высококачественных легированных сталей и сплавов специального назначения применяют также индукционные печи (рисунок 5.4).

1 – каркас; 2 – подовая плита (асбоцементные плиты); 3 – индуктор;

4 – изоляционный слой; 5 – тигель; 6 – асбоцементная плита; 7 – сливной носок; 8 – воротник; 9 – гибкий токопровод; 10 – деревянные брусья

Рисунок 5.4 – Индукционная печь

Переменный ток, подводимый к индуктору (первичной обмотке, расположенной на периферии печи) возбуждает ток в металлошихте, загруженной в тигель, и расплавляет ее.

Наиболее крупные печи имеют вместимость до 60 т. Тигли изготавливают из основных (магнезитовых) и кислых (молотый кварцит) огнеупоров.

Шлак не обладает металлическим типом проводимости, поэтому не нагревается в переменном магнитном поле, но он нагревается за счет передачи тепла от металла и по сравнению с ним имеет более низкую температуру, что исключает активные обменные реакции между шлаком и металлом и удаление вредных примесей (серы и фосфора) из стали затруднено. Как следствие, при индукционной плавке необходимо использовать шихту с низким содержанием фосфора и серы. Обычно применяют индукционные печи с кислой футеровкой, стойкость которых достигает 150 плавок, основная футеровка выдерживает только 10–40 плавок.

При плавке стали в индукционных печах газовыделение незначительно, а пылевынос в 5–6 раз меньше, чем в электродуговых печах.

Существуют специальные виды электрометаллургии, которые используют для переплава слитков или заготовок, полученных в массовом производстве. Переплав существенно повышает качество стали вследствие удаления из нее газов и неметаллических включений и получения однородных слитков. В настоящее время известно несколько его видов (вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой, электрошлаковый переплав).

Мартеновский процесс

Мартеновский процесс ведут в пламенной отражательной печи, где основное количество тепла, необходимое для процесса, получают при сжигании топлива в горелочных устройствах, расположенных в торцевых частях (сбоку) печи над шихтой. Продукты горения формируют факел, от которого тепло передается ванне, куда загружают металлошихту. Газы через плавильное пространство покидают печь с противоположной от горелки стороны. Значительная часть теплового потока попадает на свод печи, отражается им и лучеиспусканием передается ванне печи. Пламенные отражательные печи имеют прямоугольное сечение и длину, значительно превышающую их ширину и высоту. Они нашли применение в черной и цветной металлургии. Мартеновские печи относятся к числу регенеративных. Сущность регенерации заключается в утилизации тепла продуктов горения для подогрева воздуха и низкокалорийного газа до 1100–1200°С перед вводом их в печь. Для подогрева строят камеры-регенераторы, заполненные кирпичной решеткой и работающие попеременно. По мере остывания одной и нагрева другой пары регенераторов меняют направление движения газа, воздуха и продуктов горения. Газ и воздух нагревают каждый с своем регенераторе. Природный газ при использовании как топливо не подогревают, так как его теплотворная способность обеспечивает необходимую температуру (1800–1900°С) в пламенном пространстве печи.

Сжигание топлива с коэффициентом избытка воздуха 1,05 создает в печи окислительную атмосферу (1–3 О2 и 7–15% СО2), которая окисляет металл. Образующиеся оксиды железа, кислород и двуокись углерода окисляют примеси чугуна. Скорость этих процессов из-за недостаточной концентрации кислорода в печной атмосфере значительно ниже, чем в конвертере, что обусловливает большую продолжительность мартеновской плавки (4–12 ч). Для ускорения окисления примесей чугуна в печь загружают железную руду. Физико-химические основы процессов шлакообразования и раскисления подобны конвертерному производству.

Современные мартеновские печи работают на газообразном (природный газ) и жидком (мазут) топливе. Мартеновские печи – крупные сталеплавильные агрегаты емкостью от 40 до 900 т, габариты которых достигают следующих значений: площадь пода – 190 м 2 ; длина, ширина, глубина ванны соответственно 28; 6,8; 1,4 м; высота свода – 3,5 м.

В зависимости от вида огнеупоров, используемых для футеровки печи, различают кислый и основной мартеновские процессы.

Составом шихты, соотношением твердого и жидкого чугуна реализуют два основных варианта: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

Скрап-процесс применяют на машиностроительных предприятиях или на металлургических заводах, не имеющих доменного производства. Шихта содержит до 60–85% стального лома (скрапа), до 15–40% твердого передельного чугуна (в чушках) и небольшое количество флюса (известняка). Чугун облегчает расплавление шихты, так как более легкоплавкий, чем скрап, и обеспечивает необходимый запас углерода в жидком металле для перемешивания, интенсивного нагрева металла и удаления из него примесей.

Скрап-рудный процесс осуществляют на заводах с доменным производством. Основной частью шихты является жидкий чугун (60–75% от массы металлической шихты), а остальное добавки скрапа (20–40%), железной руды и известняка.

Более распространен основной мартеновский процесс, поскольку кислый менее производителен и эффективен только при скрап-рудном процессе. Для кислого процесса необходима металлошихта с минимальным содержанием фосфора и серы.

Газы мартеновских печей имеют запыленность 2–10 г/м 3 и очищаются в тканевых фильтрах, трубах Вентури, сухих электрофильтрах.

Технико-экономические показатели печи емкостью 900 т составляют: годовая выплавка 1 млн. т, расход условного топлива 60 кг, кислорода 36 м 3 и огнеупоров 20 кг на 1 т стали. Выход годного составляет 92–95%. В структуре себестоимости определяющие затраты связаны с основными (74%), а также добавочными (до 17%) материалами.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector