Процессы и операции формообразования ЛЕКЦИЯ-4 МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ: ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Н. А. Денисова, доцент кафедры машиностроения, канд. пед. наук
План лекции 1 Производство стали 2 Разливка стали 3 Способы повышения качества стали
Производство стали n Суть сталеплавильного процесса состоит в снижении содержания углерода (от 6, 7 % примерно до 1 % в инструментальных сталях и 0, 1 % - в конструкционных) и примесей металлошихты путем их избирательного окисления и перевода в шлак или в газовую фазу. n При производстве стали в качестве металлошихты используют передельный чугун (жидкий или твердый в виде чушек), металлолом (в технической литературе используют термин «скрап» ), а также металлодобавки
Производство стали ЭТАПЫ n Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны n n жидкого металла. В этот период происходит интенсивное окисление железа и окисление примесей – кремния, марганца и фосфора. Для удаления фосфора – одной из вредных примесей – в печи необходимо иметь невысокую температуру, значительное содержание оксида железа и основной шлак, содержащий Са. О, поэтому плавку ведут в печи с основной футеровкой. Оксид фосфора (5 Fe. O + 2 P = P 2 O 5 + 5 Fe + Q) в присутствии оксида железа и извести образует нерастворимое соединение 4 Са. О · P 2 O 5, переходящее в шлак. Фосфористый шлак с поверхности расплавленного металла убирают ( «скачивают» ) и наводят новый шлак со свежими добавками Са. О.
Производство стали ЭТАПЫ n Второй этап – «кипение» стали, или процесс интенсивного окисления n n углерода, которое начинается при повышении температуры металла, так как реакции окисления происходят с выделением теплоты: 2 Fe. O + Si = Si. O 2 + 2 Fe + Q 1; 5 Fe. O + 2 P = P 2 O 5 + 5 Fe + Q 2; Fe. O + Mn = Mn. O + Fe + Q 3. Бурное выделение пузырьков СО по реакции Fe. O + C = CО + Fe – Q способствует интенсивному перемешиванию жидкого металла – ванна «кипит» . В этот период содержание углерода в металле уменьшается, температура металла выравнивается, частично удаляются неметаллические включения и газы, растворенные в жидком металле, что приводит к повышению качества стали. Это основной этап процесса плавки стали, когда создаются условия для удаления серы: высокая температура, невысокое содержание оксида железа и достаточное количество Са. О. При высоких температурах сульфид железа взаимодействует с Са. О с образованием Са. S, которое не растворяется в стали и переходит в шлак: Fe. S + Ca. O = Ca. S + Fe. O.
Производство стали ЭТАПЫ n Третий этап – раскисление стали – начинается после прекращения «кипения» стали. Он необходим для удаления растворенного в расплавленном металле кислорода. n Сталь раскисляют двумя способами: n осаждающим: Si + 2 Fe. О = Si. O 2 + 2 Fe; Mn + Fe. O = Mn. O + Fe; 2 Al + 3 Fe. O = Al 2 O 3 + 3 Fe. n диффузионным с помощью шлака, например, плавка стали в дуговой печи.
Производство стали n В зависимости от применяемого раскисления выплавляют сталь спокойную – полностью раскислена в ковше, n кипящую – раскислена в печи не полностью, раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, n полуспокойную – промежуточная раскисленность. Полуспокойную сталь частично раскисляют в печи и в ковше, а частично в изложнице. n
Способы получения стали Кислородный конвертер n Это агрегат емкостью до 400 т, со сварным корпусом из листовой стали, по внешнему виду напоминающий сосуд грушевидной формы с рабочим пространством, выполненным из футеровки, часто основной. n Конвертер установлен на цапфах, что дает возможность его поворачивания вокруг горизонтальной оси для загрузки шихты и слива стали (рис. 5. 1). Рисунок 5. 1 -Кислородный конвертер для выплавки стали: 1 – футеровка конвертора; 2 – водоохлаждаемая фурма; 3 – цапфы; → – вариант продувки кислородом сверху
Способы получения стали Элекрометаллургия n В электропечах можно нагревать, плавить и точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум. n В этих печах можно выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять металл. n Электропечи используют для переработки стального и Рисунок 5. 2 -Поперечный разрез (а) и общий вид (б) дуговой чугунного металлолома в высококачественные сталеплавильной печи: легированные, 1 – съемный свод; 2 – электрод; 3 – стальной кожух; инструментальные, 4 – сливной желоб; 5 – механизм наклона печи; специальные стали 6 – рабочее окно ответственного назначения и коррозионно-стойкие стали.
Способы получения стали Индукционные печи (рис. 5. 3. ) n состоят из индуктора 1, внутри которого находится тигель 2 с металлической шихтой. n Индуктор имеет вид соленоида и выполняется из профилированной медной трубки, по которой циркулирует холодная вода. n При прохождении через индуктор переменного тока промышленной или повышенной частоты, создается переменное магнитное поле, которое наводит в металле, находящемся в тигле, вихревые Рисунок 5. 3 -Индукторная тигельная токи (токи Фуко), плавильная печь: разогревающие и 1 – индуктор; 2 – тигель; → – вихревые токи в расплавляющие шихту электромагнитном поле
Способы получения стали n Новым и весьма перспективным металлургическим агрегатом n n n является плазменная печь. Впервые в мире она была освоена промышленностью СССР. По конструкции она аналогична дуговой, с той лишь разницей, что вместо электродов энергия подводится к ванне с помощью так называемых плазмотронов. Плазмотрон создает как бы искусственную молнию, дуговой разряд, который поддерживается потоком газа (аргона). При этом создается новое состояние вещества – плазма, имеющая температуру (5 – 10) · 104 К. То обстоятельство, что электроды не контактируют с ванной, позволяет выплавлять в плазменных печах особо низколегированные стали
Разливка стали n Технологической частью металлургического процесса n n является разливка стали, т. е. получение слитков, которые предназначаются для дальнейшей обработки в прокатных и кузнечных цехах Процесс получения слитков является процессом охлаждения и затвердевания жидкого металла, т. е. кристаллизацией. Масса слитков обычно составляет 1 -20 тонн, а иногда 100 т и более. Выплавленную в сталеплавильных агрегатах сталь выпускают в сталеразливочные ковши и далее разливают. Для разливки стали применяют ковши, имеющие отверстие в днище, закрытое стопором. Из такого ковша расплавленный металл традиционно разливают в чугунные изложницы (формы) квадратного, круглого и прямоугольного сечения.
Способы разливки стали n n Рисунок 5. 4 Способ разливки стали сверху: 1 – изложница; 2 – разливочный ковш со стопорным устройством; 3 – струя металла; → – брызги металла. n n Разливка сверху (рис. 5. 4) каждая изложница 1 заполняется отдельно. При падении струи 3 жидкого металла в изложницу возможно разбрызгивание металла, особенно в начальный момент разливки. Вылетающие капли окисляются, попадают на стенки изложницы; впоследствии в процессе прокатки металла они уже не сварятся со слитком, а будут являться причиной поверхностных дефектов изделия в виде окисленных плен. Разливка сверху применяется при производстве слитков большого размера.
Способы разливки стали Сифонная разливка (снизу) (рис. 5. 5) n Одновременно заполняется несколько изложниц), так как их полости при помощи отверстий в днище объединены системой каналов, выложенных огнеупорным кирпичом. n Вся система заполняется расплавленным металлом через центровой литник. n При разливке снизу Рисунок 5. 5 -Способ сифонной разливки стали: металл заполняет 1 – изложница; 2 – прибыльная надставка; 3 – изложницу спокойно, центральный стояк; 4 – промежуточное брызги на стенки изложниц отсутствуют. разливочное устройство; 5 – жидкая сталь; → – движение расплава.
Способы разливки стали Рисунок 5. 6 -Установка непрерывной разливки стали: 1 – промежуточная емкость (имеет n стопорное устройство); 2 – кристаллизатор; 3 - непрерывный слиток; 4 – форсунка; 5 – газовый резак; 6 – подвижной упор газового резака; 7 – обжимные валки; n 8 – тянущие валки; Р – давление валков Непрерывная разливка Сталь из промежуточной емкости 1 поступает непрерывно в водоохлаждаемый кристаллизатор 2, в который перед началом разливки вводится затравка – кусок слитка, имеющий сечение, соответствующее сечению кристаллизатора. Затравка, опускаемая вниз, вытягивает за собой затвердевающий непрерывный слиток 3, в сердцевине которого металл еще жидкий. n На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунок 4, установленных в зоне вторичного охлаждения. n Тянущие 8 и обжимные 7 валки подают затвердевший непрерывный слиток в зону резки, где газовый резак 5 режет его на слитки заданной длины.
Способы повышения качества стали n В настоящее время уже известно значительное число различных приемов обработки стали вне печи. n Эти приемы называют «внепечной обработкой» . n Пионером в области внепечной обработки был советский инженер А. С. Точинский, который еще в 20 -е годы прошлого века обрабатывал сталь специально подготовленным шлаком.
Способы повышения качества стали Вакуумирование (рис. 5. 7) n С уменьшением внешнего давления уменьшается растворимость газов (аналогично тому, что происходит, когда мы открываем бутылку газированной воды). n Вакуумирование стали проводят в ковше, помещая его в камеру, соединенную с вакуумным насосом, позволяющим снизить давление над расплавом до 13 – 66 МПа. n Наиболее полно удаляется водород – виновник многих дефектов, особенно таких опасных, как флокены – мелкие трещины, расходящиеся от центра в виде лепестков цветка, отчего они и получили такое название. Рисунок 5. 7 -Схема установки для разливки стали под вакуумом
Способы повышения качества стали Продувка расплавленного металла газами n Газовая металлургия (по аналогии с вакуумной металлургией). n Продувка газами стала возможной после освоения производства пористых огнеупоров с порами размерами 30… 40 мкм, не позволяющими расплаву проникать в них. n При продувке металл интенсивно перемешивается. n n n Обработка синтетическими шлаками Проводится с целью раскисления (удаления кислорода и других газов) и дополнительной очистки ее от серы и неметаллических включений. Для этого в отдельной печи расплавляют шлак из извести (55 %), глинозема (44 %) с небольшим количеством кремнезема и минимумом окислов железа (до 1 %). Этот шлак заливают в разливочный ковш при температуре 1 700 град. С в количестве 3… 5 % от массы выпускаемой стали. Струя стали, падая с трехметровой высоты, интенсивно смешивается со шлаком, что обеспечивает за короткий срок эффективное рафинирование (очищение). Количество серы в металле снижается на 50… 70 %.
Способы повышения качества стали n n n n Электрошлаковый переплав (рис. 5. 8). С целью значительного повышения качества стальных слитков, академик Е. О. Патон в 1941 – 1945 гг. Процесс осуществляется на установках для электрошлакового переплава. В слегка конусной водоохлаждаемой изложнице разливают слой шлака. Ко дну изложницы подводят полюс источника переменного тока большой силы, а стальной стержень или слиток 1 опускают в шлак и подводят к нему другой полюс. При этом стальной стержень разогревается и начинает плавиться его часть, опущенная в шлак. Капли металла, проходя через шлак 2, очищаются от металлических включений и растворенных газов. Попадая на холодные стенки водоохлаждаемой изложницы 3, капли начинают кристаллизоваться, образуя новый слиток. По мере его образования опускают либо поддон Рисунок 5. 8 -Установка для изложницы, либо первичный слиток – электрод. электрошлакового переплава
Литература Лернер, П. С. Послушный металл: Кн. для учащихся ст. классов сред. шк. / П. С. Лернер. – М. : Просвещение, 1989. – 175 с. 2. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. в. учеб. заведений / В. Б. Арзамасов, А. Н. Волчков, В. А. Головин и др. ; под ред. В. Б. Арзамасова, А. А. Черепахина. – М. : Издательский центр «Академия» , 2007. – 448 с. 1.
Скачать презентацию Процессы и операции формообразования ЛЕКЦИЯ-4 МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ И
Лекция-5_пр-во стали.ppt