Производство стали в кислородных конвертерах

Методические указания к

Лабораторной работе № 2

Производство стали

по дисциплине

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Направление подготовки:

Специальность:

Формы обучения очная

Тула 2010 г.

Методические указания к лабораторным работам составлены доцентом С. К. Захаровым и обсуждены на заседании кафедры СЛиТКМмеханико-технологического факультета

Протокол № 1 от « 31 » августа 2010 г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры СЛиТКМ механико-технологического факультета,

протокол №___ от « » ____________________________ 20___ г.

Зав. кафедрой ______________________А.А. Протопопов

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Ознакомиться с сущностью процесса производства стали, устройством основных плавильных агрегатов, способами разливки стали.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сущность процесса

Сталью называют деформируемой (ковкий) сплав железа с углеродом и другими примесями. Содержание углерода в стали обычно не превышает 1,5 % (теоретически до 2,14 %). Кроме углерода, отель всегда содержит в небольших количествах примеси: марганец (до 0,6 %), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,06 %), серу (до 0,06 %), что связано о особенностями технологии ее выплавки. Кроме углеродистых сталей, в технике широко применяют легированные стали, в состав которых входят хром, никель и другие элементы, Существует свыше 1500 марок углеродистых и легированных сталей - конструкционных, инструментальных, коррозионно-стойких (нержавеющих) и др.

Значение стали в народном хозяйстве чрезвычайно важно. Нельзя практически назвать ни одной отрасли хозяйства, где бы не применяли сталь. В настоящее время годовая, выплавка стали в мире составляет около 700 млн. т ,. в том числе в нашей стране свыше 165 млн. т.

Основными «массовыми» способами выплавки стали являются: конвертерный ( > 55 %от всей кассы выплавляемой стали); мартеновский (»20 %) и в дуговых электропечах (» 25 %). Количество стали_fвыплавленной высокопроизводительными способами в кислородных конвертерах и крупных электропечах, непрерывно возрастает; соответственно Золя стали, выплавляемой в мартеновских печах, постепенно уменьшается.

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (cкрап). B чугуне значительно больше углерода (около 4 %), а также марганца, кремния и других примесей, чем в выплавляемой стали. Поэтому сущностью передела чугуна (или чугуна и стального лома) в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Процессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе интенсивно окисляется железо и примеси по реакциям:

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. В связи с этим для ускорения окисления примесей в сталеплавильные агрегаты добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Наиболее важной задачей первого этапа является удаление фосфора - одной из вредных примесей в стали. Удаление фосфора возможно при плавлении металла в печи, имеющей основную футеровку, при использовании основного шлака, содержащего СаО. Оксид кальция СаО при невысоких температурах характерных для первого этапа плавки, связывает ангидрид P₂O₅ в шлак:

2P + 5FeO + 4CaO = 4CaO × P₂O₅ + 5Fe (2.6)

Таким образом, невысокая температура ванны, наличие в шлаке FeO и повышенное содержание в нем СаО являются необходимыми условиями удаления из стали фосфора.

Второй этап – «кипение» металлической ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом этапе. Кипение, ванны вызывают пузырьки оксида углерода, образующиеся в результате протекания реакции (2.5). Эта реакция является основной в металлургическом переделе чугуна в сталь потому, что при протекании этой реакции уменьшается содержание углерода в металле до требуемого при «кипении» выравниваются температура и химсостав по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также другие газы (H₂, N₂). проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла.

В этот же период создаются условия для удаления из металла вредной примеси – серы. Сера в стали находится в виде сульфида FeS, который растворяетcя также в основном шлаке.

Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлака, взаимодействуя с оксидом кальция.

FeS + CaO = CaS + FeO (2.7)

Высокая температура расплава, повышенное содержание СаО в шлаке, минимальное содержание в шлаке FeO являются необходимыми условиями удаления из стали cеры

Примечание. В сталеплавильных печах о кислой футеровкой нет условий для уменьшения количеств» фосфора и серы в стали, так как использовать в них основной шлак с высоки» содержанием (СаО) нельзя из-за разрушения футеровки. Поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов о малым количеством серы и фосфора.

Третий этап (завершающий) - раскисление стали – заключается в удалении из расплава кислорода, присутствующего в виде оксида железа FeO, который понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Одним из способов раскисления является осаждающее раскисление, которое осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Mn, Si, Alи др.)обладающие большим сродством кислороду, чем железо:

FeO + Mn = Fe + MnO (2.8)

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂ (2.9)

3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O₃ (2.10)

Образующиеся окcиды MnO, SiO₂, Al₂O₃ имеют меньшую плотность, чем сталь, удаляются в шлак.

По степени раскисления различают кипящую, спокойную и полуспокойную сталь. Кипящая - наименее раскисленная сталь, образующаяся при раскислении одним ферромарганцем). Эта сталь «кипит» в изложнице в результате взаимодействия имеющегося в металле FeO и углерода.

FeO + С = Fe +СО (2.11)

Спокойная сталь - полностью раскисленная (ферромарганцем, ферросилицием, алюминием). Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей.

Легирование стали осуществляют введением в расплав в необходимого количества ферросплавов или чистых металлов.

Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс - это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой технически чистым (> 99,5%) кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Кислородный конвертер (рис 2.1) - это сосуд 3 грушевидной формы, изготовленный из стального листа и выложенный изнутри основным кирпичам 4. , емкостью 130... 500 т жидкого чугуна. Конвертер на цапфах 5 можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 360°. Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину 2 загружают скрап (не более 30%), заливают чугун при температуре 1250 ... 1400 °С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное положение, внутрь его вводят фурму 1 и через нее подают кислород под давлением 0,9...1,4 МПа. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, железную руду.

В зоне контакта кислородный струи о чугуном в первую очередь окисляется железо, образующийся оксид железа обогащает металл кислородом, что приводит к интенсивному окислению кремния, марганца, углерода (см. реакции (2.1) … (2.5)). При этом происходит разогрев ванны теплотой, выделяющейся при окислении примесей.

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш.В процессе выпуска сталь раскисляют в ковше осаждающим методом (ферромарганцем, ферросилицием и алюминием (см. реакции (2.8) … (2.10)) В конвертерах выплавляют конструкционные стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные. Можно выплавлять и низколегированные стали.

Продолжительность плави 25 ... 30 мин Преимуществами кислородно -конвертерного способа являются высокая производительность процесса, простота устройства печи, отсутствие необходимости использования топлива для нагрева металла, невысокие эксплутационные расходы.

Рис.2.1. Схема устройства кислородного конвертера: I-фурма; 2-горловина; З-кожух;

4-футеровка; 5-цапфа

2.3. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновская печь (рис. 2.2) - пламенная отражательная регенеративная печь. Рабочее пространство печи снизу ограничено подиной 9, сверху сводом 10 , а с боков передней 5 и задней стенками. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичей, кислую мартеновскую печь - динасовым кирпичом. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие для выпуска готовой стали.

Рис.2.2. Схема мартеновской печи: 1-регенератор; 2-головка; 3-фурма; 4-загруаочное окно; 5-передняя стенка; 6 - шихта; 7- факел; 8~дымовая труба; 9- подина; 10 - свод

Для подогрева воздуха и газа печь имеет два регенератора 1. Регенератор - это камера из огнеупорного кирпича, выложенного в клетку. Отходящие из печи газы нагревают насадку регенератора до 1250...1280 °С. Вдуваемый в печь воздух, проходя через регенератор, нагревается до температуры 1000 ... 1200 °С и поступает в головку печи 2 , где смешивается с топливом на выходе из головки образуется факел 7, имеющий температуру 1750...1800 °С.

Отходящие газы проходят через противоположную головку направляются во второй регенератор, нагревая его насадку, и покидают печь через дымовую трубу 8 . После охлаждения насади регенератора переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление.

В зависимости от исходных материалов мартеновский процесс делится на скрап - процесс и скрап - рудный процесс. При скрап - процессе шихта содержит до.60...85 % стального лома (скрапа) и 15... 40 % передельного чугуна, а при скрап - рудном процессе основной частью шихты является жидкий чугун, а остальное - небольшие добавки Скрапа (I0...I5 %), железной руды и флюсов. Скрап - рудный процесс осуществляется на заводах, имеющих доменное производство, а скрап - процесс - в металлургических цехах машиностроительных заводов. Печи работают на природном газе или мазуте. Физико-химические основы окисления примесей, удалении фосфора и сера, раскисления аналогичны описанным в разделе 2.1.

В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200 ... 900 т жидкой стали. Мартеновский процесс обеспечивает возможность переработки в неограниченном количестве стального лама, а также чугуна (даже твердого) любого состава. Вместе о там процесс отличается большой продолжительностью (4...12 ч.) и худшими технико-экономическими показателями. Так, по себестоимости мартеновская сталь на 3...5 % выше себестоимости кислородно-конвертерной стали, а по удельным капиталовложениям больше на 20 ... 30 %,12 большегрузных мартеновских печей могут быть заменены двумя конвертерами по 400 т. каждый. По этой причине выплавку в мартеновских печах сокращают и новые печи не строят. Стали с высокой температурой плавления и улучшенными качественными показателями выплавляют в электропечах.

Поиск по сайту: