Производство стали

СОДЕРЖАНИЕ

1. Сущность процесса

       1.1   Кислородный конвертер

2. Производство  стали в мартеновских печах

       2.1 Мартеновская печь

       2.2   Мартеновский процесс

3. Разливка стали

       3.1 Изложницы

       3.2 Непрерывная разливка стали

4. Затвердевание  и строение стальных слитков

       4.1 Кипящая сталь

       4.2 Спокойная сталь

       4.3 Полуспокойная сталь

5 Способы повышения  качества стали

       5.1 Вакуумная обработка стали

       5.2 Обработка стали синтетическим шлаком

       5.3 Электрошлаковый переплав

       5.4 Вакуумно-дуговой переплав

       5.5 Плазменно-дуговой переплав

       5.6 Электронно-лучевой переплав

Список литературы 
 
 
 
 
 
 

1. Сущность процесса

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, примесей серы и  фосфора. Исходные материалы для  получения стали — передельный  чугун и стальной лом (скрап). Следовательно, сущностью передела чугуна в сталь  является уменьшение содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

В настоящее  время сталь получают в кислородных  конвертерах, мартеновских и электрических печах.

Производство  стали в кислородных конвертерах

  Кислородно-конвертерный  процесс заключается в продувке  жидкого чугуна кислородом.

1.1  Кислородный конвертер (рис. 1) представляет собой сосуд 1  грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри  основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное.  Кислород подается в него под давлением 0,8...1 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии  0,3...0,8 м.

Конвертеры изготовляют  емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода  на получение 1 т стали, составляет 50...60 м3.

Материалами для  получения стали в кислородном  конвертере служат жидкий передельный  чугун и стальной лом. Для наводки  шлака в конвертер добавляют  железную руду и известь, а для  его разжижения — боксит и плавиковый шпат.

Перед началом  работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с  помощью завалочной машины загружают  до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную  фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.

Изменение металла  по ходу плавки показано на рис. 2. При  продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно  кислородом дутья, так и оксидом  железа FeO. Одновременно образуется активный шлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление серы и фосфора с образованием устойчивых соединений P2O5- ЗСаО и CaS в шлаке.

В момент, когда  содержание углерода достигает заданного  для выплавляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер  поворачивают и выливают вначале сталь, а затем — шлак.

Для уменьшения содержания кислорода сталь при  выпуске из конвертера раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si, Mn, A1). Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МпО, SiO2, А1203, переходящие в шлак.

Производительность  кислородного конвертера емкостью 300 т  достигает 400...500 т/ч, в то время как  производительность мартеновских и  электропечей не превышает 80 т/ч. Благодаря  высокой  производительности и малой  металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали.

                                                           рис.2 

2. Производство стали в мартеновских печах

2.1  Мартеновская печь (рис. 3) представляет собой регенеративную пламенную печь, высокая температура в которой (1750... 1800 °С) достигается за счет сгорания газа в плавильном пространстве. Газ и воздух подогреваются в регенераторах. Слева от плавильного пространства 7 находятся каналы для газа 3 и воздуха 4, соединенные с регенераторами 1 и 2. Такие же каналы для газа 9 и воздуха 8 имеются справа от плавильного пространства 7; они соответственно соединены с регенераторами 10 и 11. Каждый из регенераторов имеет насадку из выложенного в клетку огнеупорного кирпича. Шихта загружается через окна 5.

Подаваемые в  печь газ и воздух проходят через  предварительно нагретые до температуры 1200... 1250 °С регенераторы 10 и 11, нагреваются  в них и поступают в плавильное пространство печи. Здесь газ и  воздух смешиваются и сгорают, образуя  пламя высокой температуры. Продукты сгорания по каналам 3 и 4 поступают  в регенераторы 1 и 2, нагревают их, охлаждаясь до 500...600 °С, и уходят в  дымовую трубу 13. По мере охлаждения регенераторов 10 и 11 направление газа и воздуха в печи меняют на обратное переключением клапанов 12 и 14. Тогда  газ и воздух поступают в плавильное пространство по каналам 3 и 4, пройдя нагретые регенераторы 1 и 2, а продукты сгорания выходят по каналам 8 и 9, нагревают насадку регенераторов 10 и 11 и уходят в трубу 13. Таким образом, газ и воздух при работе печи проходят через попеременно нагреваемые то левые, то правые регенераторы.

Мартеновские  печи, работающие на мазуте, имеют с  каждой стороны по одному регенератору для нагрева только воздуха.

В нашей стране эксплуатируются мартеновские печи емкостью от 20 до 900 т жидкой стали. Важной характеристикой этих печей является также площадь пода 6. Для печи емкостью 900 т она составляет около 120 м2.

2.2  Мартеновский процесс. Материалами для выплавки стали в мартеновской печи могут быть: стальной лом (скрап), жидкий я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте различают:

1) скрап-рудный  процесс на шихте из жидкого  чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;

2) скрап-процесс  на шихте из стального лома  и 25...45 % чушкового передельного  чугуна.

Флюсом в обоих  процессах обычно служит известняк  СаСО3 (8...12 % от массы металла).

Более широкое  применение в металлургии получил  скрап-рудный процесс выплавки стали  в основной мартеновской печи. Вначале  в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем  добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси  в чугуне окисляются за счет оксида железа руды и скрапа:

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fe20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Ре20з= ЗСО + 2Fe.

Сера удаляется  в результате взаимодействия сернистого железа с известью:

FeS + СаО == FeO + CaS.

Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Для интенсификации процесса плавления и окисления  примесей ванну продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые  фурмы. Продувка кислородом позволяет  в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления  шихты начинается период кипения  ванны. В это время интенсивно окисляется углерод в металле. В  момент, когда содержание его достигает  заданного, а количество серы и фосфора  уменьшается до минимума, кипение  прекращают и начинают раскисление  стали в ванне печи ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Скрап-процесс  применяют на машиностроительных заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько  отличается завалкой и плавлением шихты.

Основной скрап-процесс  применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.

Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода печи в сутки и расход топлива  на тонну выплавленной стали. На отечественных  заводах съем стали составляет около 10 т/м2 в сутки, а расход топлива  при скрап-рудном процессе— 120... 180 и  при скрап-процессе — 170... 250 кг/т.

Интенсификация  мартеновского производства достигается  использованием печей большей емкости, хорошей подготовки шихтовых материалов, автоматизации процесса плавки. Повышению  производительности печей и экономии топлива способствует применение кислородного дутья. я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения  в шихте различают:

1) скрап-рудный  процесс на шихте из жидкого  чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной руды;

2) скрап-процесс  на шихте из стального лома  и 25...45 % чушкового передельного  чугуна.

Флюсом в обоих  процессах обычно служит известняк  СаСО3 (8...12 % от массы металла).

Более широкое  применение в металлургии получил  скрап-рудный процесс выплавки стали  в основной мартеновской печи. Вначале  в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем  добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси  в чугуне окисляются за счет оксида железа руды и скрапа:

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fе20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Fе20з= ЗСО + 2Fe.

Сера удаляется  в результате взаимодействия сернистого железа с известью:

FeS + СаО == FeO + CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Для интенсификации процесса плавления и окисления  примесей ванну продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые  фурмы. Продувка кислородом позволяет  в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления  шихты начинается период кипения  ванны. В это время интенсивно окисляется углерод в металле. В  момент, когда содержание его достигает  заданного, а количество серы и фосфора  уменьшается до минимума, кипение  прекращают и начинают раскисление  стали в ванне печи ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Скрап-процесс  применяют на машиностроительных заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько  отличается завалкой и плавлением шихты.

Основной скрап-процесс  применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.

Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода печи в сутки и расход топлива  на тонну выплавленной стали. На отечественных  заводах съем стали составляет около 10 т/м2 в сутки, а расход топлива  при скрап-рудном процессе— 120... 180 и  при скрап-процессе — 170... 250 кг/т.

Интенсификация  мартеновского производства достигается  использованием печей большей емкости, хорошей подготовки шихтовых материалов, автоматизации процесса плавки. Повышению  производительности печей и экономии топлива способствует применение кислородного дутья.

3. Разливка стали

Выплавленную  в плавильной печи сталь выпускают  в сталеразливочный ковш (рис.4) и  мостовым краном переносят к месту  разливки в слитки. Емкость ковша  обычно определяется емкостью плавильной печи и составляет 5...250 т. Для крупных  плавильных печей применяют ковши  емкостью до 450 т (диаметром и высотой  до 6 м).

Сталь разливают  в изложницы или кристаллизаторы  установок для непрерывной разливки.

3.1 Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков различного сечения. Масса слитков для прокатки обычно составляет 10...12 т (реже —до 25 т), а для поковок достигает 250...300 т. Легированные стали иногда разливают в слитки массой в несколько сотен килограммов.

Применяют два  способа разливки стали в изложницы: сверху и сифоном.

При разливке сверху (рис. 5,а) сталь заливают из ковша 2 в  каждую изложницу 1 отдельно. При такой  разливке поверхность слитков вследствие попадания брызг жидкого металла на стенки изложницы может быть загрязненной пленками оксидов.

При сифонной разливке (рис. 5 ,Б) сталью заполняют одновременно от 2 до 60 установленных на поддоне 5 изложниц через центровой литник 3 и каналы в поддоне. В этом случае сталь поступает в изложницы  снизу, что обеспечивает плавное, без  разбрызгивания их заполнение, поверхность  слитка получается чистой, сокращается  время разливки. Сталь в надставке 4 сохраняется в жидком состоянии, благодаря чему уменьшаются раковина и отходы слитка при обрезке.