Металлургическое производство возникло на заре развития человеческого общества. Такие металлы, как железо, медь, серебро, золото, ртуть, олово и свинец, нашли свое применение еще до нашей эры.
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 конструкционный материал.
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. Еще в середине 70х годов прошлого столетия академик Патон Б.Е. назвал двадцатый век «железным», не согласиться с ним невозможно [3; с.76]. 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.
Современный высокий уровень металлургического производства основан на глубоких теоретических исследованиях, крупных открытиях, сделанных в разных странах мира, и богатом практическом опыте.
1. Строение и свойства стали
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 %).
Термическая и химико-термическая обработка сплавов
... некоторые магнитные свойства. 2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория термической обработки металлов. Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при ...
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) [2; с.112]. 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) [3; с.97].
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) [3; с.99].
Углерод является вторым основным компонентом, определяющим структуру, механические и технологические свойства стали.
Примеси, присутствующие в стали делят на четыре группы:
- постоянные, или обычные — марганец, кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в пределах: до 0,8% Mn;
- до 0,4% Si;
- до 0,05% Р и до 0,05% S;
- скрытые — азот, кислород, водород, присутствующие в любой стали, в очень малых количествах (тысячные доли процента);
- случайные — например, мышьяк, свинец, медь и др., попадающие в сталь из-за того, что они содержатся в рудах или шихтовых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали;
— специальные (легирующие элементы) — их вводят в состав стали для получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. В этом случае сталь называют легированной. Сталь также будет легированной, если содержание кремния 0,5%, а марганца %.
Конвертерное производство стали
... мирового производства стали. Первоначально предполагалось выплавлять в кислородных конвертерах рядовые углеродистые стали, в основном низкоуглеродистые для производства тонкого ... конвертера, продувки чугуна и разлива стали. В опрокинутый горизонтально конвертер загружают около 10-15% (к весу чугуна) свежеобожженной извести и нагретый до 1200-1250° чугун из миксера. Далее конвертер поворачивают в ...
2. Производство стали в конвертерах
В качестве исходных материалов при производстве стали используются жидкий или твердый чугун, металлолом, а также раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы. В зависимости от наличия в данном регионе или на данном заводе тех или иных шихтовых материалов (в первую очередь жидкого чугуна) сталь производят в конвертерах, мартеновских или электродуговых печах: при наличии жидкого чугуна — в конвертерах или мартеновских печах, при его отсутствии — в мартеновских или электродуговых печах [6; с.199].
При переделе чугуна и металлолома в сталь решаются несколько основных задач: плавление и нагрев шихты до температуры, обеспечивающей проведение последующих операций (обычно 1600.. 1650 °C, рафинирование стали от вредных примесей (обычно к ним относят серу, фосфор, водород и азот), легирование и, наконец, получение из жидкой стали стального слитка или непрерывнолитой заготовки. Нагрев до заданной температуры и частично рафинирование и легирование производятся в сталеплавильных агрегатах, окончательное рафинирование и легирование — в сталеразливочных ковшах после выпуска плавки из агрегата с помощью специализированных установок и разливка — в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
В своей основе производство стали — процесс окислительный, так как в его ходе требуется прежде всего окислить избыток углерода (содержание последнего в стали значительно ниже, чем в чугуне) и примеси.
Сталеплавильные агрегаты для производства стали различаются между собой по источнику энергии, необходимой для нагрева металла до требуемой температуры. В конвертерах нагрев происходит за счет тепла, выделяющегося при окислении железа, углерода и других примесей, в мартеновских печах — за счет тепла горения жидкого (мазут) или газообразного (природный газ) топлива, в электродуговых печах — за счет подводимой электроэнергии.
Сущность производства стали в конвертерах заключается в том, что при вдувании газообразного кислорода в металл происходит окисление железа, углерода, кремния и марганца.
В результате протекания этих реакций выделяется тепло, обеспечивающее не только нагрев металла, но и возможность перерабатывать до 30 % металлолома. Продукты реакции окисления железа, марганца и кремния образуют первичный шлак, который может интенсивно растворять футеровку. Для предотвращения разрушения футеровки в конвертер добавляют известь. Шлак с высоким содержанием СаО слабо взаимодействует с футеровкой. Кроме того, такой шлак обеспечивает рафинирование стали от фосфора и частично от серы.
Устройство кислородного конвертера. В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной продувкой. Собственно конвертер представляет собой металлический сварной кожух, футерованный внутри. В качестве огнеупорного материала используется обычно смолодоломитовый кирпич. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях. На нее воздействуют высокие температуры и ее колебания, она испытывает механические удары кусков твердых загружаемых материалов. Особо тяжелые условия работы футеровки — в зоне шлакового пояса. Стойкость футеровки достигает 1000 и более плавок.
Техника и технология производства стали
... шлаков в процессе производства стали. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак ... помощью специализированных установок и разливка - в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). В своей основе производство стали - процесс окислительный, так ...
Технология плавки стали в конвертерах. Можно выделить три основных периода в конвертерном производстве стали: загрузку шихтовых материалов, продувку кислородом и выпуск плавки [6; с.291]. Загрузку конвертера обычно начинают с завалки металлолома из специальных лотков с помощью завалочной машины. Для этого конвертер наклоняют и в конвертер заливается чугун. После этого конвертер возвращают в вертикальное положение и начинают добавку шлакообразующих материалов (главным образом, извести).
Одновременно в конвертер опускают кислородную фурму и начинают продувку техническим кислородом. По ходу продувки продолжают добавку шлакообразующих.
Высокая интенсивность продувки кислородом обеспечивает циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Длительность продувки составляет 12…16 мин. Окончание продувки определяется по количеству введенного кислорода с учетом количества и состава шихтовых материалов.
Температура расплава в первые минуты продувки практически не изменяется, так как все тепло, выделяющееся в результате окислительных реакций, расходуется на плавление металлолома. После окончания его плавления наблюдается непрерывное повышение температуры расплава. После окончания продувки кислородную фурму поднимают и в металл сверху (параллельно кислородной фурме) вводят зонд для автоматического отбора пробы на экспресс-анализ и измерения температуры. Если состав металла и его температура соответствуют требованиям, приступают к выпуску плавки, если нет — производят корректировку состава. В том случае, если анализ показал повышенное (по сравнению с маркой стали) содержание углерода или недостаточную температуру, то производят додувку плавки. Если же содержание углерода ниже требуемого, в ковш вместе с выпускаемым металлом добавляют графит или молотый кокс в необходимых количествах.
Выпуск плавки производят в специальный сталеразливочный ковш через летку. В ходе выпуска стремятся полностью исключить попадания в ковш вместе с металлом конвертерного шлака. А для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше туда добавляют специальную теплоизолирующую смесь или синтетический шлак. Кроме того, при необходимости в ковш по ходу выпуска стали добавляют раскислители и легирующие. Конвертерный шлак сливают в шлаковую чашу.
Конвертеры с комбинированным дутьем. Применение комбинированной продувки за счет более интенсивного перемешивания металла и шлака способствует улучшению рафинирования стали и увеличению выхода годного за счет устранения выбросов и снижения окисления железа в шлак.
Технико-экономические показатели работы конвертеров включают производительность, себестоимость и качество. Кислородно-конвертерный процесс является самым производительным из всех процессов производства стали. Современный конвертерный цех с двумя конвертерами (один — в работе, другой — в ремонте) обеспечивает производство до 5 млн. т стали в год.
Способы разливки стали
... прямоугольного, круглого и полые круглые заготовки для производства труб. Главные достоинства непрерывной разливки стали перед разливкой в изложницы заключается: в повышении выхода годного металла (вследствие отсутствия усадочной раковины в заготовках, ...
Себестоимость стали включает стоимость шихтовых материалов, раскислителей и легирующих добавок, кислорода, огнеупоров, амортизационные расходы, зарплату и т.п. Основной статьей себестоимости является стоимость металлической части шихты. Поэтому борьба за уменьшение потерь металла при переделе (за счет выбросов и выносов) является существенным резервом снижения себестоимости стали. В настоящее время себестоимость конвертерной стали достаточна высока.
Качество стали в первую очередь определяется содержанием вредных примесей, таких как фосфор и сера, поступающих вместе с чугуном; водород и азот, попадающих в металл с ломом и из атмосферы. Благоприятные условия рафинирования стали в конвертере и отсутствие в процессе производства контакта с водородом и азотом позволяют производить сталь самого высокого качества.
3. Разливка стали
Разливка стали является заключительной стадией сталеплавильного производства. От ее правильного проведения зависит конечное качество стали. На разливку металл поступает в сталеразливочном ковше после внепечной обработки. Сталь разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Разливка стали в изложницы. Различают два способа разливки в изложницы: сверху и сифоном [5; с.69].
Каждый из видов разливки стали в изложницы имеет свои преимущества и недостатки. Основными преимуществами разливки стали сверху являются простота подготовки поддонов и малые потери металла (нет литниковых систем).
Однако в этом случае за счет разбрызгивания получается плохая поверхность металла, а также низка производительность разливки (каждый слиток разливается последовательно).
Поэтому разливку сверху применяют при получении относительно крупных слитков. Разливка сифоном обеспечивает хорошую поверхность слитков, ее производительность значительно выше, чем разливка сверху. Однако при этом усложняется процесс подготовки изложниц к разливке и уменьшается выход годного, так как часть металла затвердевает в литниковой системе.
Непрерывная разливка стали. В современных конвертерных и электросталеплавильньгх цехах разливку стали осуществляют не в изложницы, а на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Непрерывная разливка распространяется не только на заводах черной, но и . цветной металлургии. Преимущества непрерывной разливки стали по сравнению с разливкой в изложницы огромны. Если при разливке стали в изложницы возвращается в переплав 20… 30 % стали, то при непрерывной разливке эта величина не превышает 5%. Иначе говоря, перевод разливки в изложницы на непрерывную разливку позволяет на каждой тонне стали сэкономить от 100 до 200 кг металла. В отличие от разливки в изложницы при непрерывной разливке получают не слиток, а заготовку и, следовательно, нет необходимости иметь в составе завода цехи по прокатке заготовки из слитка. Кроме того, при непрерывной разливке нет изложниц и цеха по их подготовке к разливке. Следует также иметь в виду, что процесс непрерывной разливки поддастся автоматизации. Разрабатываются методы совмещения непрерывной разливки с прокаткой.
4. Специальные виды электрометаллургии стали
Рассмотренные выше способы производства стали не всегда удовлетворяют непрерывно возрастающие требования к качеству стали со стороны авиационной промышленности, специальных отраслей машиностроения и т.п. Причинами этого являются недостаточная чистота металла по вредным примесям, а также химическая и кристаллическая неоднородность слитков и непрерывнолитых заготовок. Для повышения качества металла, его служебных свойств заготовки, полученные обычными способами, подвергают переплаву в специальных печах (электрошлаковых, вакуумно-дуговых и т. п.).
Производство отливок из стали
... инструмента, ответственных конструкций. Целью данной курсовой работы является исследование процесса производства отливок из стали. Задачи данной работы – рассмотреть основы плавки и разливки стали, изучить особенности литья в песчаные и металлические формы, ...
Электрошлаковый переплав (ЭШП).
Этот способ нашел наибольшее распространение в связи с его простотой и экономичностью. Его сущность заключается в том, что через предварительно изготовленный расходуемый электрод, погруженный в шлаковую ванну, пропускают электрический ток.
По сравнению с металлом шлак имеет значительно большее электросопротивление и в нем выделяется тепло, необходимое для повышения температуры и оплавления электрода. Металл каплями стекает через шлак вниз, образуя под шлаком металлическую ванну. При капельном переносе через такой шлак металл дополнительно очищается от вредных примесей, газов и неметаллических включений. Этот процесс осуществляется в медном водоохлаждаемом кристалли-заторе, где металл затвердевает. Медленная кристаллизация жидкой ванны обеспечивает получение плотного однородного металла.
Методом ЭШП переплавляют слитки массой в десятки тонн.
Вакуум-дуговой переплав (ВДП).
Сущность метода заключается в том, что переплав происходит в вакууме под действием дуг, возникающих между расходуемым электродом и формирующимся слитком, находящимся в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Методом ВДП можно переплавлять слитки массой в десятки тонн. Однако этот метод сложен в своем аппаратурном выполнении и достаточно дорог.
Помимо ЭШП и ВДП существует еще целый ряд переплавных процессов: электронно-лучевой, плазменный и некоторые другие [3; с.76]. Каждый из них имеет свои недостатки и преимущества. Выбор метода переплава диктуется требованиями, предъявляемыми к качеству сталей и сплавов.
Заключение
В заключение сказанного можно подвести итоги, сформулировать выводы.
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 во многих других отраслях народного хозяйства.
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.
АСУ ТП в металлургии
... Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник. После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно загружают задувочную шихту, поджигают кокс ... Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном аппарате доменной печи производится независимо друг от друга. Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она ...
Единой мировой классификации сталей нет. В зависимости от способа производства, химического состава, структуры, назначения и качества стали классифицируют:
По назначению: топочную и котельную, для железнодорожного транспорта (рельсовую, для бандажей железнодорожных колес и т.п.), конструкционную (применяется при изготовлении различных металлоконструкций для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.), шарикоподшипниковую, инструментальную (для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станков, деталей кузнечно-штамповочного оборудования и т.п.), рессорно-пружинную, трансформаторную, нержавеющую, орудийную, трубную и др.
По качеству: обыкновенного качества, качественная, и высококачественная. 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 и т.п. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фосфора допускается до 0,055-0,060%, в качественных сталях — не более 0,040-0,045%, в высококачественных — не более 0,020-0,030%.
По химическому составу: углеродистые (низкоуглеродистые содержат до 0.3% углерода; среднеуглеродистые — от 0.3 до 0.6%; высокоуглеродистые — более 0.6%), легированные (низколегированные-до2.5% легирующих добавок; среднелегированные — 2.5-10%,высоколегированные — более 10%), в том числе хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.
По характеру застывания стали в изложницах: спокойные, кипящие и полуспокойные. Поведение металла при кристаллизации в изложницах зависит от степени его раскисленности — чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизуется слиток.
По способу производства:
1) по типу агрегата — конвертерная (в том числе кислородно-конверторная, бессемеровская, томасовская), мартеновская, электросталь, сталь электрошлакового переплава и т.д.;
2) по технологии — основная и кислая мартеновская, основная и кислая электросталь, обработанная вакуумом, синтетическими шлаками, продувкой инертными газами и т.п.;
3) по состоянию — в твердом состоянии (губчатое железо — продукт прямого восстановления), в электролитическом — (продукт электролиза железосодержащих материалов), в порошкообразном (продукт процессов распыления на мельчайшие капли жидкой стали), в тестообразном ( продукт сыродутного, кричного, пудлингового процессов, продукт процесса «Астон-Байерс»), в жидком, литом (продукт конверторного, мартеновского и т.п. процессов).
Список использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/kislorodnyiy-konverter/
сталь конвертер разливка
Бигеев А.М. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / А.М. Бигеев. — 2-е изд., доп. и перераб. — М.: Металлургия, 1988. — 480 с.
Непрерывная разливка стали
... или заготовки прокатывают непосредственно на листовых или сортовых станах. Применение непрерывной разливки стали позволяет исключить из производственного цикла операции по подготовке разливочного состава, ... начальное положение; к этому типу машин относится основное количество установок непрерывной разливки стали; с кристаллизатором, двигающимся со скоростью слитка; это обеспечивает отсутствие ...
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.
Воскобойников В.Г. Технология и экономика переработки железных руд [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников. — М.: Металлургия, 1977. — 255 с.
Кудрин В.А. Теория и технология производства стали [Текст]: учебник для вузов / В.А. Кудрин. — М.: Мир, 2003. — 528 с.
Материаловедение и технология металлов / В.Т.Жадан, П.И.Полухин и др. — М.:Металлургия, 2009. — 624 с.
Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского. — М.: Металлургия, 1983. — 584 с.
Справочник металлиста. В 5-ти т. Т.2 / Под ред. А.Г.Рахштадта, В.А.Брострема. — М.:Машиностроение, 2008. — 720 с.
Энциклопедический словарь юного техника / Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. — М.:Педагогика, 1997. — 464 с.
