ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Важнейшим конструкционным материалом при производстве машин, подвижного состава, рельсового пути, пролетных строений мостов и других технических средств всех видов транспорта является углеро­дистая сталь. Сталь по сравнению с чугуном имеет более высокие ме­ханические свойства - прочность, пластичность и вязкость. Ее можно ковать, штамповать и прокатывать.

Развитие машиностроения и особенно бурный рост железнодорожно­го строительства в середине ХIХ в. вызвали огромную потребность в стали. Эта потребность была удовлетворена в результате открытия - новых способов ее производства: в 1856 г. - бессемеровского, в 1864 г. - мартеновского, в 1878 г. - томасовского, а в 1899 г. - способа производства стали в электрических печах.

По сравнению с чугуном в стали содержится меньше углерода и постоянных примесей (основные из них кремний, марганец, фосфор и сера), поэтому процесс получения стали из чугуна заключается в уда­лении значительной части углерода и примесей путем их окисления (выжигания).

Во всех процессах производства стали из чугуна в начале плавки получают закись железа FeO, которая является реагентом, удаляющим углерод и другие примеси из металла. Закись железа образуется путем окисления железа кислородом воздуха и благодаря введению в печь же­лезной руды. Основные реакции окисления примесей можно записать так:

Si + 2FeO = 2Fe + SiO₂ + 330 кДж

Mn + FeO = Fe + MnO + 123 кДж

2P + 5FeO = 5Fe + P₂O₅ + 226кДж

C + FeO = Fe + CO - 154 кДж.

Причем Si, Mn и Р, окисляясь, выделяют тепло, а С его поглоща­ет. Все эти реакции становятся возможными потому, что углерод и постоянные примеси при высокой температуре соединяются с кислородом более энергично, чем железо.

Образовавшиеся в результате реакции SiO₂ и MnO переходят в шлак, СО в виде газовых пузырей всплывает на поверхность жидкого металла и улетучивается, а Р₂О₅, соединяясь с СаО флюсов, остается в шлаке. Взаимодействуя с серой, СаО образует не растворимое в жид­ком металле соединение СаS и переходит в шлак. Удалению серы спо­собствует повышенное содержание марганца в металле. Сера и марганец образуют соединение MnS, почти не растворимое в жидкой стали и так­же переходящее в шлак. На этом окислительный период плавки заканчи­вается.

По окончании окислительного периода сталь оказывается насыщен­ной закисью железа FeO, которая делает ее хрупкой. Поэтому сталь раскисляют, добавляя в жидкий металл вещества, соединяющиеся с кис­лородом более энергично, чем железо. Хорошими раскислителями явля­ются ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

Сталь выплавляется в конвертерах, в мартеновских и электричес­ких печах.

Конвертерная сталь разделяется на бессемеровскую и кислород­но-конвертерную.

Бессемеровская сталь выплавляется в плавильных агрегатах-конвертерах путем продувки залитого в конвертер жидкого чугуна возду­хом. Кислород воздуха выжигает из чугуна последовательно кремний, марганец и углерод. При этом кремний и марганец, окисляясь, перехо­дит в шлак, а образующаяся окись углерода улетучивается. Бессеме­ровский процесс производства стали является высокопроизводительным и самым дешевым. Однако бессемеровская сталь, выплавленная с приме­нением воздушного дутья, насыщена азотом, имеет повышенное содержа­ние фосфора и серы, т.е. наименее качественная.

Кислородно-конвертерная сталь выплавляется в конвертерах с продувкой жидкого чугуна сверху чистым кислородом . Вмес­тимость этих конвертеров - 30, 50, 100, 200 и 300 т. В таких кон­вертерах могут перерабатываться жидкие чугуны с широким колебанием химического состава и до 30% металлического лома. Продолжительность продувки чугуна кислородом, например, в 100-тонном конвертере сос­тавляет 14-18 мин, а общая продолжительность плавки с учетом заг­рузки, раскисления и выпуска металла - 45 мин. В кислородных кон­вертерах получают сталь с низким содержанием азота, серы и фосфора как обыкновенного качества, так и качественную, по своим свойствам не уступающую мартеновской, Кислородно-конвертерный способ выплавки стали наиболее рентабельный и перспективный.

Мартеновская сталь выплавляется в плазменных отражательных пе­чах , в которых можно получать сталь различного качества как из жидкого чугуна, так и из стального и чугунного лома. В мар­теновских печах выплавка стали производится на поду печи, плавиль­ное пространство которой ограничено снизу подом, с боков - стенка­ми, а сверху - сводом, отражающим тепловой поток обратно в ванну с металлом.

Топливом при выплавке стали в мартеновских печах служат мазут и газы - природный, генераторный или смесь доменного и коксового. Горючий газ и необходимый для горения топлива воздух подаются в мартеновскую печь предварительно подогретыми в регенераторах до 1100-1200⁰С. Насадка регенераторов подогревается теплом отходящих газов, причем, когда насадка одних регенераторов подогревается, на­садка других в это время отдает тепло проходящим в печь газам и воздуху. Затем переключением специальных клапанов их роль меняется. Благодаря подогреву газов и воздуха температура факела пламени дос­тигает 1750-1850⁰С.

Мартеновские печи могут работать на жидкой и твердой металли­ческой завалке. В зависимости от этого различают два основных вида мартеновского процесса: скрап-рудный и рудный процесс.

При скрап-процессе завалка твердая: чугун, стальной лом (скрап), железная руда и известняк. Завалка твердой шихты произво­дится специальными завалочными кранами. При рудном процессе завалка состоит из жидкого чугуна, железной руды и известняка. Рудный про­цесс применяется на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Вместимость печи для скрап-процесса от 20 до 100 т, а для руд­ного процесса - 150-900 т. Мартеновская печь дает в сутки 2-5 пла­вок и может выдержать без холодного ремонта до 400 плавок. Печь вместимостью 900 т дает в год до 650 тыс.т стали. Как показал опыт, при обогащении воздуха кислородом до 25% c одновременным применени­ем высокостойких огнеупоров производительность мартеновских печей увеличивается на 20-27%. Плавка в мартеновских печах протекает спо­койно, состав стали легко поддается регулированию. Этим мартеновс­кий процесс выгодно отличается

от бессемеровского и томасовс­кого.

Мартеновская сталь являет­ся основным материалом для из­готовления деталей машин и эле­ментов строительных конструк­ций. Для железнодорожного транспорта из мартеновской ста­ли изготовляют рельсы, металли­ческие пролетные строения мос­тов, рамы, оси, бандажи и цель­нокатанные колеса локомотивов и вагонов.

Процесс производства стали в электропечах называется электроплавкой, а полученная сталь - электросталью.

шее распространение имеют дуговые печи, в которых высокая температура создается дугой от пропускания тока между угольными электродами и металлом шихты.

Электроплавка - наиболее совершенный метод производства стали.

Важнейшее достоинство ее - возможность регулировать химический сос­тав стали. При этом процессе достигается температура 2000⁰ С и выше, что позволяет применять основные тугоплавкие шлаки, очищающие сталь от вредных примесей. Восстановительная атмосфера в печи препятству­ет окислению металла кислородом воздуха, а отсутствие технологичес­кого топлива - насыщению его серой. Благодаря высокой температуре в электропечах можно расплавлять самые тугоплавкие элементы - W, Mo, Co, Ti, V и др. Способ электроплавки широко применяется для по­лучения легированных конструкционных и инструментальных сталей, причем дорогие легирующие примеси в электропечах почти не выгорают.

Для экономии электроэнергии и ускорения процесса получения электростали чугуны практически не применяют. В качестве шихтовых материалов используют стальной лом, железную руду и флюсы.

Электроплавка также имеет две стадии: окисление и раскисление. На первой стадии расплавляется шихта и за счет кислорода спе­циально вводимой железной руды окисляются примеси. На второй - сталь раскисляется и в нее вво­дят легирующие добавки.

Электропечи имеют разную вместимость - 5,10,20 т и более (до 180 т). Кроме сталей, в электропечах выплавляется боль­шой ассортимент ферросплавов: ферросилиций с содержанием 45, 75 и 90% Si; ферромарганец - 60-80% Mn; феррохром - 60-65% Cr; ферровольфрам - 50-55% W; ферромолибден - 55-60% Mo; фер­рованадий - 35-40% V; ферроти­тан - 20-25% Ti; силикокальций- 30-35% Са.

Дата добавления: 2014-10-08; просмотров: 469; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!