ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И СТАЛИ

СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

В металлургии черных металлов чугун занимает особо важное место, являясь первичным продуктом для переработки его в сталь и для производства чугунного литья.

Основным способом получения чугуна является доменный процесс. Он ведется в доменных печах и заключается в восста­новлении из руды железа и других примесей при помощи окиси углерода и твердого раскаленного углерода и последующем науглероживании и плавлении его.

Электродоменный процесс применяется только в странах, об­ладающих значительным запасом дешевой электроэнергии. Получение синтетического чугуна из стального лома с углеродосодержащими материалами производится в электрических печах очень редко.

Успешный ход доменного процесса обеспечивают два основ­ных условия:

1) количество тепла и температура по высоте печи должны быть распределены так, чтобы все реакции протекали в определенном месте и в определенное время;

2) образование шлака должно происходить только после окончания восстановле­ния из руды железа и необходимых примесей.

Первое условие обеспечивается непрерывным движением в печи двух встречных потоков: поднимающихся снизу вверх го­рячих газов от сгорания в горне топлива и опускающихся сверху вниз шихтовых материалов, нагревающихся и плавящихся под действием тепла газов.

Второе условие обеспечивается подбором по тугоплавкости шлаков соответственно сортам выплавляемого чугуна, чтобы образовавшийся шлак не сплавил руду до восстановления железа и других примесей, не изменил заданного состава чугуна и не вы­звал расстройство в ходе процесса.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Горение топлива. Горячий воздух, вдуваемый через фурмы, сжигает углерод кокса по реакции:

С+0₂ =С0₂+94052кал, (1)

но при движении газов вверх СО₂ встречает углерод раскален­ного кокса и разлагается по реакции:

С0₂+С = 2СО-41220/кал. (2)

Одновременно с этим идет реакция восстановления водорода из пара, содержащегося в дутье:

Н₂ 0пар+С = Н₂ + СО-31382кал. (3)

Восстановление железа из руды начинает происходить при по­мощи окиси углерода (непрямое восстановление) в верхних гори­зонтах печи и идет в следующем порядке:

Fe₂ 0з -> Fез0₃ = FеО — Fе

прямое восстановление идет и при более высоких темпера­турах

FeO +С=Fе+СО-37284/кал

В современных экономично работающих печах примерно 60% железа восстанавливается газами и 40% — твердым углеродом.

Науглероживание железа, т. е. образование карбида железа, в условиях доменной печи начинается при 400—500°С при по­мощи окиси углерода по реакции:

ЗFеО+5СО = Fе₃ С + 4С02- 58028 кал (18)

и продолжается при более высоких температурах

Fe₃ +2СО==Fe₃ С + С0₂ + 36220 кал.

Плавление науглероженного железа начинается при темпера­туре, близкой к 1140°С, когда содержание углерода в нем дости­гает 4,3%, и должно заканчиваться в шахте печи до того, как начнет плавиться пустая порода.

Шлакообразование, т. е. сплавление пустой породы руды с флюсом, в печи при температуре около 1200°С.

РАБОТА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Доменная печь работает Круглые сутки непрерывно в течение пяти - восьмилетнего периода, называемого кампанией.

В начале кампании печи или при задувке проверяются все устройства ее, опробуется оборудование, производится сушка и разогрев кладки, готовится и грузится задувочная шихта из отборных материалов и производится задувка в течение 4—5 су­ток. Горючие материалы в горне, зажигаются горячим воздухом с температурой около 600°С. Дутье дается постепенно.

Первый выпуск шлака производится обычно через 15 часов, а чугуна — через сутки после задувки. Нормальная производительность печи до­стигается, как правило, на шестые-седьмые сутки.

Выпуск чугуна и шлака производится по графику: чугун 6 раз в сутки через каждые 4 часа, а шлак через 1,5—2 часа по мере накопления. Чугун и шлак выпускаются в ковши чугуновозов и шлаковозов, подаваемых под соответствующие желобы печи.

В зависимости от характера использования чугуна его подают либо в сталеплавильный цех для использования в жидком состоя­нии, либо 'на разливочную машину для отливки чугунных чу­шек.

В сталеплавильных цехах чугун чаще всего заливают непо­средственно в миксеры емко­стью до 1500 т, отапливаемые доменным газом. Служит миксер для выравнивания хими­ческого состава и температуры чугуна, а также для удаления из него серы.

СУЩНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с угле­родом и с другими примесями, но отличается от него меньшим содержанием их. Это обусловливает коренную разницу в процес­сах получения их: если процесс получения чугуна по преимуще­ству восстановительный, то процесс получения стали из чугуна окислительный. Он сводится к окислению примесей чугуна до нужных пределов при помощи чистого кислорода или кислорода воздуха или руды.

Все процессы в плавке стали обусловлены известными поло­жениями физической химии:

1) реакции идут в строгой последовательности в зависимости от температуры металла и шлака: при низких температурах идут экзотермические реакции, при повышении температуры — реакции с выделением малого количества тепла и при высоких температурах — эндотермические реакции;

2) скорость реакции пропорциональна концентрации дейст­вующих друг на друга масс, т. е. определяется процентным со­держанием веществ в металле и в шлаке, а также температурой и химическим сродством;

3) вещество, растворенное в металле и в шлаке, распределя­ется между ними так, что процентное содержание его в каждом из них при определенных температурах является постоянным;

4) всякая система, находящаяся в состоянии химического равновесия, на все процессы, действующие извне, отвечает воз­никновением внутри системы процессов, стремящихся уничто­жить результаты внешнего воздействия.

В далекие доисторические времена сталь получали в тесто­образном состоянии непосредственно из руд в примитивных сы­родутных горнах. Позднее в таком же состоянии сталь получали из чугуна в кричных горнах, а с 1784 г. — в пудлинговых печах. Это были малопроизводительные, физически тяжелые, требую­щие большого расхода топлива и дорогостоящие способы. В по­исках новых, более производительных и экономичных способов, были последовательно открыты способы получения стали в жид­ком состоянии: бессемеровский (1855 г.), мартеновский (1865 г.), томасовский (1878г.) и электрометаллургический (1900г.).

БЕССЕМЕРОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Плавка стали при бессемеровском процессе, открытом Генри Бессемером в 1855—1856 гг., ведется в конвертерах.

Сущность процесса заключается в том, что кислород воздуха, продуваемого через жидкий чугун, окисляет его примеси и при интенсивно идущих реакциях образуется такое количество тепла, которого без подвода извне вполне достаточно для превращения чугуна в сталь в течение 10—12 мин. Исходным материалом служит бессемеровский чугун, содержащий 0,7—1,75% кремния, 0,5—1,2% марганца и не более 0,07% фосфора и 0,04—0,06% серы.

ТОМАСОВСКИЙ ПРОЦЕСС

Невозможность передела бессемеровским способом чугунов с повышенным содержанием фосфора и серы, ограничила распространение его в ряде стран. Проблему переработки фосфористых чугунов в сталь, разре­шил С. Д. Томас, применив в конвертере вместо кислой, основ­ную футеровку из обожженного доломита, связанного обезво­женной каменноугольной смолой, и известь для образования шлака и связывания фосфорного ангидрида.

Конструкция томасовского конвертера принципиально не от­личается от бессемеровского, за исключением материала футе­ровки.

МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

В мировой выплавке стали главная роль принадлежит мар­теновскому производству. В нашей стране около 90% стали вы­плавляется в мартеновских печах. Причинами столь широкого распространения этого процесса являются: неприхотливость в выборе шихтовых материалов, легкость управления и контроля за ходом плавки вплоть до автоматизации, возможность вы­плавки самой разнообразной по качеству, назначению и по сор­там стали, легкая приспособляемость к любым условиям и мас­штабу производства.

Начало мартеновского процесса относится к 1865 г., когда П. и Э. Мартены во Франции построили 1,5-тонную регенератив­ную печь и получили в ней сталь удовлетворительного качества из стального лома и чугуна.

Мартеновский процесс заключается в расплавлении шихты, снижении в ней содержания углерода, кремния, марганца, удалении нежелательных примесей ( S, P ) и введении недостающих элементов (легирование). Температура в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она должна составлять 1600 – 1650⁰С. Для связывания шлаков добавляют флюс (известняк CaCO₃). Избыток кислорода удаляют раскислением, вводя Mn или Si.

Мартеновская печь является регенеративной печью. В ней высокая температура для выплавки стали достигается тем, что участвующие в горении газ и воздух (или только воздух) нагре­ваются до 1100—1300° теплом отходящих газов в регенераторах.

Исходными материалами в мартеновском процессе являются чугун и стальной лом (скрап).

Стальной лом (скрап) сортируют по составу с целью отделе­ния легированных отходов и сплавов цветных металлов во из­бежание потерь их при плавке.

В зависимости от местных условий плавку ведут на шихте с различным соотношением в ней чугуна и стального лома, что предопределяет главные разновидности процесса.

/. Скрап-рудный процесс, в котором 60—70% шихты состав­ляет чугун, а остальную часть стальной лом, ведется на метал­лургических заводах с собственным доменным производством.

2. Скрап-процесс, в котором шихта составляется из 30—50% привозного чугуна и 70—50% стального лома, применяется на машиностроительных и металлургических заводах, не имеющих своего доменного производства. Отличается этот процесс от скрап-рудного процесса только методами завалки и плавления шихты.

3. Рудный процесс, в котором плавка ведется только на од­ном жидком чугуне без стального лома, в настоящее время не применяется по технической нецелесообразности и экономиче­ской невыгодности.

4. Карбюраторный процесс, в котором плавка ведется исклю­чительно на стальном ломе, а чугун заменен антрацитом, камен­ноугольным, нефтяным или торфяным коксом, ведется только в случаях острого недостатка или полного отсутствия чугуна на заводах. Производительность печей при этом процессе снижа­ется на 25—40%, а металл получается более низкого качества.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Основные преимущества производства стали в электрических печах, заключаются в следующем:

1) в возможности получения самых высококачественных сталей и тугоплавких сплавов с минимальным количеством га­зов, вредных примесей и неметаллических включений;

2) гибкость работы при всех режимах и характерах произ­водства с использованием твердой и жидкой завалки с любым количеством дешевого стального лома;

3) в самом малом угаре металла и особенно легирующих примесей по сравнению со всеми плавильными агрегатами;

4) в простоте устройства, компактности, легкости обслужи­вания и относительной дешевизне печей.

Исходные материалы. Основными материалами для плавки являются стальной лом, отходы и специальные заготовки.

7 Диаграмма железо – углерод.

Свойства любого компонента, входящего в состав сплавов, самым существенным образом отличаются от свойств получае­мых сплавов. Для суждения о свойствах сплавов приходится изучать наивыгоднейшие структуры и условия их образования. Это делается путем построения диаграмм состояния сплавов, изображающих зависимость состояния сплавов той или иной системы от температуры и от состава сплава.

Процесс кристаллизации металлических сплавов описывают диа­граммами состояния или фазового равновесия, получаемыми на ос­нове термического анализа. Они характеризуют окончательное со­стояние сплавов, в которых все фазовые превращения произошли и полностью закончились. На рис. 1 приведена диаграмма состояния Fe-Fe₃С, которую условно представляют как Fe-C, имея в виду пропорциональное содержание углерода и цементита в сплаве.

Рис.1 Диаграмма состояния Fe-Fe₃С.

В сплавах в зависимости от состояния различают следующие фа­зы: жидкие и твердые растворы, химические и промежуточные со­единения (фазы внедрения, электронные соединения и др.).

Фазойназывается физически и химически однородная часть системы (ме­талла или сплава), имеющая одинаковый состав, строение, одно и то же агрегатное состояние и отделенная от остальных частей системы разделяющей поверхностью. Поэтому жидкий металл представляет собой однофазную систему, а смесь двух различных кристаллов или одновременное существование жидкого расплава и кристаллов соот­ветственно двух- и трехфазные системы. Вещества, образующие сплавы, называются компонентами.

Твердые растворы представляют собой фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую ре­шетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в кристаллической решетке первого компонента (растворителя), изме­няя ее размеры (периоды). Различают твердые растворы замещения и внедрения. В первом случае атомы растворенного компонента заме­щают часть атомов растворителя в узлах его кристаллической решет­ки; во втором они располагаются в межузлиях (пустотах) кристалли­ческой решетки растворителя, причем в тех из них, где имеется больше свободного пространства. Мик­роструктура твердого раствора мало отличается от структуры чистого металла. Все металлы могут в той или иной степени взаимно раство­ряться в твердом состоянии.

Химические соединения образуются между компонен­тами, значительно отличающимися электронным строением атомов и кристаллических решеток. В большинстве случаев они не подчиня­ются законам валентности и не имеют постоянного состава. Напри­мер, цементит. Соединения металлов имеют общее название интерметаллидов.

Фазы внедрения- карбиды, нитриды, бориды, гидриды об­разуются переходными металлами Fe, Мп, Сг, Мо и др. с углеродом, азотом, бором и водородом, т.е. элементами с малым атомным радиу­сом. Они имеют много общего в строении и свойствах. В отличие от твердых растворов внедрения, фазы внедрения имеют самостоятель­ную кристаллическую решетку. Они переменного состава и обладают высокой твердостью.

Электронные соединения образуются между однова­лентными элементами (Си, Ag, Au, Li, Na) или переходными метал­лами и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Sn, Cd, Al). Они имеют определенную электронную концентрацию (от­ношение числа валентных электронов к числу атомов) и отличную от компонентов кристаллическую решетку. Соединения этого типа ха­рактерны для сплавов меди-латуни (CuZn), оловянистых, алюминиевых и бериллиевых бронз.

На диаграмме видно, что кристалли­зация сплавов происходит в ин­тервале температур, а не при одной температуре, как у чистых металлов.

Железо имеет три аллотропических превращения (модифика­ции), температуры которых 1390° (точка N), 910° (точка G), 768° (точка М).

При температурах выше линии ABCD, называемой линией ликвидуса, сплав находится в жидком состоянии, а при тем­пературах, лежащих на линии AHJECF, называемой линией солидуса, заканчивается затвердевание всех сплавов. В про­межутке между линиями ликвидуса и солидуса сплавы состоят из жидкого сплава и твердых кристаллов: аустенита (твер­дый раствор углерода в γ-Fe) или цементита (Fe₃С). При температурах, лежащих ниже линии солидуса, все сплавы находятся в твердом состоянии в ре­зультате закончившейся первичной кристаллизации. Процесс вторичной кристаллизации начинается при темпера­турах, соответствующих линии GSE.

На линии PSK, соответствующей температуре 723°, заканчи­ваются процессы вторичной кристаллизации. Ниже этой темпе­ратуры аустенит существовать не может и при медленном охлаж­дении превращается в перлит (эвтектоидную смесь с со­держанием 0,83% углерода). Сталь с содержанием 0,83% угле­рода называется эвтектоидной, менее — доэвтектоидной, а более - заэвтектоидной.

Структура доэвтектоидных сталей состоит из перлита (смесь феррита и цементита) и фер­рита (твер­дый раствор углерода в α-Fe), причем с повышением содержания углерода количество перлита увеличивается, а количество феррита уменьшается. При содержании углерода 0,83% структура стали однородная, и со­стоит полностью только из перлита. Структура заэвтектоидных сталей, содержащих углерода от 0,83% до 2%, состоит из пер­лита и вторичного цементита, причем количество цементита уве­личивается с ростом содержания углерода.

Чугун с содержа­нием 4,3% углерода имеет только одну фазу ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита) и называется эвтектическим чугуном. Чугун с содержанием углерода выше 4,3% и до 6,67% состоит из ледебурита + первич­ный цементит. Чугуны с содержанием углерода до 4,3% назы­ваются доэвтектическими, а свыше 4,3 % — заэвтектическими.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 223; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!