Тема. Способы разливки стали.
ВВЕДЕНИЕ
Металлами называют вещества, обладающие высокой теплопроводностью, электропроводностью, характерным металлическим блеском в изломе, непрозрачность, способностью коваться.
Все металлы, кроме ртути, в обычных условиях - твердые тела.
Металлы и сплавы промышленного значения делятся на 3 группы:
1) черные металлы – занимают 94% из всего количества выплавляемых. К таким металлам относят железо (Fe), которое в соединении с углеродом и другими элементами дает сплавы: сталь, чугун, ферросплавы. Черные металлы получили наибольшее распространение из-за большого распространения в земной коре, относительной простоте и дешевизне передела железных руд в металл.
2) цветные сплавы – медь, цинк, алюминий, магний, свинец, олово, титан
3) благородные и редкие – золото и серебро.
Задачи металлургии:
- подготовка и обогащение добытых руд
- процессы получения металлов
- очистка (рафинирование) и производство металлических сплавов.
РАЗДЕЛ 1. МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
Тема. Производство чугуна.
Чугун – это сплав железа с углеродом, где углерода более 2,14%.
Исходные материалы для выплавки чугуна: железная руда, топливо, флюсы (Si O2,
Mg O, MnO).
Все материалы, загружаемые в печь, называют шихтой.
В состав шихты входит:
1) руда – природное минеральное сырье, содержащее металлы или их соединения в количестве или виде пригодном для промышленного использования. Руда – это совокупность минералов. Минералы, содержащие рудный металл называю рудными, а остальные – пустой породой.
2) топливо
| Агрегатное состояние | Естественное | Искусственное |
| Твердое | Дрова, торф, каменный уголь | Каменноугольный кокс, брикеты из угля и торфа |
| Жидкое | нефть | Бензин, мазут, керосин |
| Газообразное | Природный газ | Коксовый газ, доменный газ |
3) флюсы – для облегчения процесса шлакообразования
- кислые Si O2
- основные CaO, MgO, FeO
- нейтральные – глинозем
I. Железные руды – это природные химические соединения, представлящие собой окиси железа, соединенные с пустой породой, в состав которой входят кремнезем, глинозем, окись кальция и др.
А) магнитный железняк Fe3O4. Количество железа равно 72 %. Руда обладает магнитными свойствами, плотная. Месторождение: Урал.
Б) Красный железняк – Fe2O3 – гематит. Количество железа равно 50-60%.Месторождение: район Курска, Кривой Рог.
В) Бурый железняк - Fe2O3*n H2O. Железо составляет 60 %. Месторождение: Урал.
II. Подготовка руд к плавке
Необходимо для нормального хода доменного процесса.
1) дробление – измельчение кусковой породы на дробилках до размеров 30-100 мм, после чего руда идет на плавку. Процесс способствует ускорению плавки за счет снижения расхода дорогостоящего кокса.
2) промывка- отделение рудного концентрата сильной струей воды, применяется для бедных руд, не обладающих магнитными свойствами.
3) обжиг руды – производится при температуре 800°C, применяется для руд, содержащих воду. Процесс необходим для удаления воды, углекислоты и частичного выжигания серы, в результате чего руда очищается и обогащается соединениями железа.
4) спекание (агломерация) – процесс окусковывания мелких пород за счет спекания мелкой руды с топливом.
5) брикетирование – прессование со связующими добавками (глина, жидкое стекло, смола).
III. Виды топлива.
В качестве топлива применяется кокс, высококачественный уголь (антрацит).
Кокс – продукт сухой перегонки коксующихся каменных углей при температуре1100°C в течение 15 часов.
IV. Флюсы – минеральные вещества, добавляемые при плавке для образования с пустой породой руды и золой топлива легкоплавкого соединения, называемого шлаком.
V. Огнеупорные материалы.
Применяются для строительства и ремонта металлургических печей.
В зависимости от химического состава огнеупорные материалы делятся:
1) нейтральные – шамот – состоит из огнеупорных глин различного состава
2) кислые – динас - кварцит (кварцевый песок)
3) основные – (магнезит, доломит)
Если печь футерована кислым огнеупором, то шлак должен быть кислым.
Если печь футерована основным огнеупором, то шлак должен быть основным.
VI. Устройство доменной печи.
Чугун выплавляется в доменных печах.
Домна - вертикальная печь шахтного типа: сверху вниз опускается шихта, навстречу ей поднимается поток горячих газов. Печь имеет футерованный стальной корпус. Нагрев печи происходит за счет сгорания кокса
C + O2 = CO2 + 393,5кДж
CO2 + C= 2СO – 171, 9 кДж
Дополнительный разогрев печи происходит за счет горячего воздуха газообразного распыленного или жидкого топлива, подаваемого в кольцевой трубчатый теплообменник (фурму), размещенный на наружной поверхности домны. Воздух подогревается в фурме очищенными колошниковыми газами.
В зоне фурмы идет реакция:
2C + O = 2CO + 110,5 кДж
В средней части домны получается губчатое железо в результате насыщения углеродом:
3Fe + C = Fe3C
При содержании углерода 4…4,5 % температура плавления чугуна составляет 1200°, что позволяет получить его жидкую фазу в нижней части домны (в горне).
Колошник – самая верхняя цилиндрическая часть печи, предназначенная для приемки шихтовых материалов и отвода газов.
Шахта - самая высокая коническая часть доменной печи, облегчает пропускание проплавляемых материалов и распределение газов по поперечному сечению печи.
Распар – широкая цилиндрическая часть печи.
За распаром располагаются заплечики, суживающиеся книзу. Сужение связано с уменьшением объема материалов при переходе в жидкое состояние.
Нижняя цилиндрическая часть называется горном.
В верхней части горна расположены воздушные фурмы, которые служат для вдувания горячего воздуха, служащего для горения топлива.
Дно горна называется лещадью. Она состоит из нескольких рядов высококачественного шамотного кирпича. На ней собирается чугун и шлак, выпускаемый через специальные устройства, называемые лётками. Чугунная лётка находится на 400- 500 мм выше лещади, поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения.
Доменная печь опирается на железобетонный фундамент, по наружной поверхности которого установлены стальные колонны.
Для поднятия шихтовых материалов в засыпной аппарат служит наклонный подъемник с 2-мя саморазгружающимися вагонетками.
VII. Доменный процесс.
- Разложение плавильных материалов
А) испарение влаги, имеющейся в плавильных материалах
Б) разложение соединений, заключающих в себе воду
В) разложение горючего с выделением летучих веществ
Г) разложение углекислых солей
- Восстановление железа и других элементов
3Fe2O3+ CO =2 Fe3O4 + CO2
2Fe3O4 + CO =6 FeO + 2CO2 + CO
6FeO + CO =6 Fe + 6CO2 + CO
Кроме железа, происходит восстановление окислов кремния и марганца
SiO2+ 2C = Si + 2CO
- Восстановленное железо получается в виде губки, которое в дальнейшем науглероживается. После того , как губка впитает то или иное количество углерода и будет нагрета до температуры 1170°С и выше, начинается ее плавление. Жидкий металл, стекая вниз, омывает куски кокса, при этом происходит дополнительное науглероживание.
VIII. Шлакообразование – это процесс сплавления пустой породы с известью, сопровождающийся переходом из твердого состояния в жидкое.
Одним из важнейших свойств шлака является его текучесть. Шлак оказывает влияние на ход процесса. Подвижность шлака должна быть средней, так как густые шлаки образуют на стенках печи настыли, приводящие к нарушению хода процесса, а очень жидкие разъедают кладку печи.
Доменный шлак широко используется для производства строительных материалов. Основные шлаки применяют для изготовления цемента. При продувании кислого шлака получаются длинные нити - шлаковая вата, которая является прекрасным теплоизоляционным материалом.
IX. Продукция доменного производства.
1) чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны называют литейными или серыми. Особенностью их является повышенное содержание кремния и пониженное содержание серы. Они хорошо заполняют литейные формы и легко поддаются обработке режущим инструментом.
2) Чугуны, содержащие углерод в составе цементита, очень твердые, хрупкие, имеют белый цвет в изломе. Для отливок мало пригодны, трудно обрабатываются режущим инструментом. Эти чугуны перерабатывают в сталь и называют белыми или передельными. Они содержат пониженное содержание кремния.
3) Специальные чугуны – ферросплавы, имеют повышенное содержание (больше 10%) одного или нескольких элементов (марганца или кремния). Нужны как присадки при выплавке стали.
Тема. Производство стали.
Сталь – это сплав железа с углеродом, где углерода менее2, 14 %.
Достоинства стали: прочнее и пластичнее чугуна; ее можно прокатывать, ковать, обрабатывать давлением и режущим инструментом. В расплавленном состоянии жидкотекуча для литья.
В настоящее время применяются следующие способы выплавки стали.
Конвертерный способ получения стали.
Конвертер имеет грушевидную форму и состоит из стального кожуха, выложенного огнеупорным материалом. Конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси на 2х цапфах. Через одну из цапф подводится из компрессора воздух. Через сопла в днище воздух поступает в конвертер. Повороты конвертера производятся мотором с помощью редуктора. Жидкий металл заливают из ковша в горловину конвертера, наклонив так. Чтобы чугун не выливался ни через горловину, ни через фурменные отверстия в днище. После этого начинают подавать дутье и приводят конвертер в вертикальное положение.
Достоинства получения стали в конвертере:
- Небольшой расход времени. Весь технологически процесс занимает 15 – 30 мин.
- Высокая производительность
Недостатки получения стали в конвертер:
- низкий выход годного металла из-за потери в шлаке и выплескивания
- Высокое содержание в стали азота
- Большое загрязнение шлаковыми включениями.
Бессемеровский процесс (изобретатель 1856 г. – Бессемер). Конвертер выложен кислым огнеупорным материалом – динасом. Данный процесс применяется в том случае, если перерабатываемый чугун содержит незначительное количество вредных примесей (серы и фосфора), которые полностью переходят в конечный продукт – сталь.
При прохождении воздуха через жидкий чугун за счет кислорода окисляется Fe, C, Si и Mn. Выделяется большое количество тепла, образующаяся закись железа растворяется в металле и передает свой кислород примесям чугуна. Так как передача происходит в расплавленной среде, достигается хороший контакт между примесями чугуна и кислородом закиси железа.
2Feo + Si = 2Fe + SiO2
FeO + Mn = Fe + MnO
FeO + C = Fe + CO
Реакция идет с выделением тепла в 3 этапа:
I период - окисление железа, кремния и марганца. Окисление углерода отсутствует.
Из горловины конвертера вылетают искры сгорающих капелек чугуна и происходит бурное клокотание металла. Период называется периодом искр или периодом шлакообразования. Длительность 3 – 5 мин.
II период - высокая температура ванны, горение углерода в угарном газе. Пламя белое, длинное (6-9 м), широкое. Сильное кипение ванны, в результате чего металл выплескивается из конвертера. В ванне протекает реакция восстановления железа из его закиси углерода. Явления 2-го периода быстро заканчивается, шум исчезает, пламя укорачивается и блекнет. Длительность 6 мин.
III период - период дыма. Интенсивно сгорают фосфор, оставшиеся марганец и кремний. Так как все примеси удалены, начинает сильно гореть железо. Из горловины конвертера идет бурый дым, указывающий на наличие окислов железа и марганца. Длительность меньше 1 мин.
Томасовский процесс (1878г. – изобретатель Томас). Применяется для переработки фосфористых чугунов, выплавляемых из фосфористых руд (бурых железняков). Для шлакования фосфора необходим основной флюс – известь. Но в бессемеровский конвертер известь загружать нельзя, так как в нем кислая кладка – динасовая. Для переработки фосфористых чугунов применяют конвертеры с кладкой из доломита.
В конвертер загружается сперва известь в количестве 12 – 18% от веса чугуна, а затем заливается чугун при температуре 1250°С.
I период выгорают железо, марганец и кремний. Начинается шлакообразование Длительность 3 – 4 мин.
II период – выгорает углерод. Процесс сопровождается белым пламенем.
III период – выгорает фосфор. Одновременно протекает процесс удаления серы (десульфурация).
По окончании продувки, производят раскисление стали, т.е. удаление кислорода, находящегося в виде закиси железа, что является вредной примесью.
Производство стали в мартеновских печах.
Мартеновское производство возникло в 1864 г, когда П.Мартен построил первую печь, выплавил годную литую сталь из твердой шихты. В России первая мартеновская печь была построена в 1869г.
В мартеновской печи выплавляют сталь заданного состава из твердого или жидкого чугуна, стального и чугунного лома с добавками железной руды, окалины, флюсов.
Мартеновский процесс сводится к физико-химическому воздействию между металлом, шлаком, газовой средой и огнеупором печи при высоких температурах.
Задачей процесса является уменьшение до заданной нормы содержания в стали углерода, марганца, кремния и более полное удаление из нее вредных примесей при наименьшем износе печи и затратах горючего.
Окисление металла протекает при взаимодействии его с кислородом, поступающим в печь с воздухом, а также с рудой и окалиной.
Для ускорения окисления применяют вдувание кислорода в расплавленный металл.
Рабочее пространство печи - это вытянутая в горизонтальном направлении камера. Стенки выложены из огнеупорного кирпича, нижняя часть – под – это ванна для жидкого металла и шлака, делается набивным. Одна из боковых стен имеет завалочное окно для загрузки проплавляемых материалов, в задней стенке - выпускное отверстие для выпуска готовой стали. Сверху рабочее пространство – свод, выложен огнеупорным кирпичом. В каждой их двух торцовых стенок устроены головки, в которые проходят по два наклонных канала для подачи в рабочее пространство газа и воздуха. Под рабочей площадкой расположены регенераторы, служащие для подогрева газа и воздуха. Между регенератором и рабочим пространством расположены шлаковики, т.е. камеры для улавливания выносимой из печи пыли и капель шлака. Переключение воздушных и газовых регенераторов производится по ходу плавки с помощью переводных клапанов.
В мартеновских печах развивается температура до 1700 °C . для увеличения температуры в самой печи, дым пропускают через регенераторы. Прежде чем отвезти их в дымовую трубу. Через завалочные окна на подину печи загружают определенное количество стального лома, твердого чугуна и флюсов.
По мере расправления шихты начинается выгорание содержащихся в металле примесей. Первым выгорает кремний, затем марганец. Когда температура расплавленного металла повышается, начинает гореть углерод. После расплавления шихты в ванне печи образуется жидкий металл и шлак, который всплывает на поверхность металла.
Шлак связывает вредные и избыточные примеси, выделяющиеся в видео окислов из металла, а также защищает металл от непосредственного воздействия пламени и воздуха, благодаря чему железо выгорает мало.
Топливо для мартеновских печей: смесь доменного и коксовального газов, природный газ.
Длительность мартеновского процесса плавки: 6-15 часов.
Преимущества мартеновского процесса:
- переработка чугуна различного состава;
- переплав в больших количествах металлических отходов;
- высокое качество стали;
- высокий выход годного продукта.
Производство стали в электрических печах
Стали, которые обладают резко выраженными физическими и химическими свойствами, называются специальными ( нержавеющие стали, жаропрочные и другие). Для получения таких сталей используют индукционные и дуговые печи.
Дуговая электрическая печь состоит из цилиндрического железного кожуха, выложенного огнеупорным кирпичом и накрытого сверху съемным сводом с отверстиями для пропускания электродов.
Для выпуска металла из печи, скачивания шлака, электрическая печь снабжена механизмом наклона. С одной стороны - завалочное окно, а с другой – выпускное отверстие для металла.
Тема. Способы разливки стали.
Готовую сталь из плавильного агрегата сливают в ковш, а из ковша по изложницам.
Изложницы – это чугунные или стальные формы, применяемые для получения слитков.
Ковши для разливки представляют сварной железный кожух, по всей поверхности которого расположены отверстия диаметром 15 мм для свободного прохода газов и пара.
Ковши футеруются огнеупорным шамотным кирпичом. В днище имеется круглое отверстие для ковшового стакана, который закрывается пробкой.
1. Разливка «сверху». Очищенные, предварительно смазанные графитом или каменноугольной смолой изложницы устанавливаются на чугунный поддон. Ковш с металлом подводится к изложнице таким образом, что выпускное отверстие точно приходилось над центром изложницы.
Способ применяется для получения крупных слитков или при разливке высококачественной, «спокойной» стали.
2. Сифонная разливка или разливка «снизу». Подготовленные изложницы устанавливаются группами по две, четыре, шесть и более штук на чугунный поддон, в теле которого имеются каналы. В эти каналы для прохождения жидкой стали укладываются пустотелые шамотные кирпичи.
Способ применяется для быстрой разливки некрупных слитков в большом количестве.
3. Непрерывная разливка. Жидкий металл заливается в верхнюю часть кристаллизатора, охлаждаемого водой, а из нижней непрерывно вытягивается частично или полностью затвердевший слиток – заготовка, разрезаемая после охлаждения на части.
Схема кристаллизации слитка
Соприкасаясь со стенками изложницы, металл быстро охлаждается, образуя корку, состоящую из мелких кристаллов. Это I зона кристаллизации.
По направлению к оси охлаждение происходит медленнее, появляются крупные столбчатые кристаллы – II зона кристаллизации. III зона образуется в осевой части и состоит из крупных беспорядочно ориентированных кристаллов.
Дефекты слитка
1. Усадочная раковина.
При затвердевании металл уменьшается в объеме и получается усадка. Так как у стенок изложницы металл затвердевает раньше, чем внутри, то толщина затвердевшего слоя по мере отвода теплоты постепенно увеличивается, а уровень жидкого металла, находящегося в середине, вследствие усадки, понижается. В верхней части слитка образуется усадочная раковина – это дефект, являющийся отходом.
Меры предотвращения:
1) разливку сверху производить медленнее;
2) расширяют изложницы кверху, при этом верхняя часть более массивная и остывает медленнее нижней;
3) повышенное давление над поверхностью кристаллизующегося металла.
2. Газовая раковина (пузыри).
Газы, поглощенные во время плавки, выделяются при затвердевании слитка и не успевают остыть, остаются в виде газовых раковин.
3. Неметаллические включения и засоры.
Неметаллические включения оказываются в слитке потому, что продукты раскисления стали – марганец, кремний и алюминий, не успели всплыть в шлак и «запутались» в металле.
Засоры получаются от попадания в струю стали загрязнений из ковша и сифона по пути от выпускного отверстия до изложницы.
4. Ликвация – это неоднородность состава металла в отливке. Сера, фосфор и углерод в период затвердевания слитка являются сильно ликвирующими химическими элементами. Содержание их в центре значительнее. Чем у поверхности.
Вопросы для самопроверки:
1. Что такое шихта?
2. Перечислите основные части доменной печи
3. Что такое науглероживание
4. Какие чугуны называют литейными, предельными, ферросплавами?
5. Назовите назначение флюсов
6. Объясните процесс шлакообразования
7. В чем преимущества стали перед чугунами?
8. В чем достоинства мартеновской печи?
9. Что такое десульфурация?
10. Что такое изложница?
11. Перечислите основные способы разливки стали
Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 56; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!