НМетАУ
Национальная Металлургическая Академия Украины
Кафедра технологического
проектирования
Курсовая работа
По дисциплине "Введение в специальность"
На тему: "Производство стали"
Выполнил:
Студент группы ПМ - 99
Брез А. П.
Проверил:
Проф. Друян
В. М.
Содержание
.
| |стр |
|Введение |3 |
|Производство стали |3 |
|Шлаки сталеплавильных процессов |3 |
|Основные реакции сталеплавильных процессов |4 |
|Окисление углерода |4 |
|Окисление и восстановление Mn |5 |
|Окисление и восстановление Si |5 |
|Окисление и восстановление P |5 |
|Десульфация стали |5 |
|Газы в стали |6 |
|Раскисление стали |6 |
|Производство стали в конвертерах |7 |
|Кислородно-конвертерное процесс с верхней продувкой |8 |
|Кислородно-конвертерное процесс с донной продувкой |10 |
|Конвертерный процесс с комбинированной продувкой |10 |
|Производство стали в мартеновских печах |11 |
|Производство стали в электропечах |12 |
|Выплавка стали в кислых электродуговых печах |13 |
|Способы интенсификации выплавки стали в большегрузных печах|13 |
| |14 |
|Плавка стали с рафинированием в ковше печным шлаком |14 |
|Плавка стали в индукционной печи |15 |
|Разливка стали |15 |
|Разливка стали в слитки |15 |
|Пути повышения качества стали |16 |
|Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата |18 |
|Производство стали в вакуумных печах |18 |
|Производство стали в индукционных печах |19 |
|Производство стали в вакуумных дуговых печах |20 |
|Плазменно-дуговая плавка |21 |
|Заключение |22 |
|9. Список рекомендуемой литературы | |
Введение:
Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые
человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни
трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности
человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли
как конструкционного материала.
Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К
группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К
цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И.
Менделеева.
Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники.
В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит
его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и
керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы
составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном
производстве.
Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом.
Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую
группу чугунов и сталей.
Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не
превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для
машиностроения, транспорта и т. д.
Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и
стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов.
Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем
производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии
основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный,
мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими
видами сталеплавильного производства меняется.
Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь
получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна –
углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью
сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы.
Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется
кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После
окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем
кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного
химического состава.
[pic]
Производство стали
Шлаки сталеплавильных процессов.
Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый
режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое
влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность
сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления
составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По
свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2;
P2O5; TiO2; V2O5 и др.), основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные
(Al2O3; Fe2O3; Cr2O3; V2O3 и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака,
оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления
примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера,
происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде
оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим
образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;
2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из
печной атмосферы к жидкому металлу;
3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит
передача тепла металлу;
4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей,
как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле
марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в
различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический
состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия
достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных
количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита
и др.
[pic]
Основные реакции сталеплавильных процессов.
Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т.
е. очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода,
марганца, кремния, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из
железной руды или других окислителей, либо при продувки ванны газообразным
углеродом.
Окисление углерода. Особенность окисления углерода заключается в том, что
продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из
металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости.
Реакцию окисления углерода, растворенного в металле можно написать в
следующем виде:
[C] + [O] = {CO}; K = [pic]
где [C]; [O] - концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.
Как следует из уравнения для константы, при заданном значении рсо
произведение концентрации углерода и растворенного кислорода есть величина
постоянная. Следовательно, от концентрации углерода зависит концентрация
кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже
содержание кислорода в нем и наоборот.
Окисление и восстановление марганца. Марганец как элемент, обладающий
высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так и при
основном процессах. Реакции окисления и восстановления марганца можно
представить следующим образом:
[Mn] + [O] [pic](MnO); [Mn] + (FeO) [pic](MnO) + [Fe]
Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением
температуры и основности шлака концентрация марганца в металле
увеличивается. Это указывает на то, что реакция окисления марганца
достигает равновесия, и окислительный процесс сменяется восстановительным.
Поскольку почти все стали содержат марганец, то его восстановление в
процессах плавки - явление желательное.
Окисление и восстановление кремния. Кремний обладает еще большим
сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже
в период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:
[Si] + 2[O] = (SiO2); [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2 [Fe]
При плавке под основным шлаком SiO2 связывается в прочный силикат кальция
(CaO)2•SiO2, что обеспечивает почти полное окисление кремния, содержащегося
в шихте. При кислом процессе поведения кремния иное: при горячем ходе
кислого процесса имеет место интенсивное восстановление кремния.
Окисление и восстановление фосфора. Фосфор в стали является вредной
примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому
содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается
пределом 0,015 - 0,016 %. Окисление фосфора можно представить следующим
образом:
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe];
(P2O5) + 3(FeO) = (FeO)3• P2O5;
(FeO)3•P2O5 + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 3(FeO);
2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)4•P2O5 + 5Fe.
Уравнение константы можно записать в следующем виде:
K = [pic]
Откуда коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком:
L = (P2O5)/P2 = K[pic](FeO)5 [pic](CaO)4
Десульфация стали. Сера, также как и фосфор, является вредной примесью в
стали. Удаление серы можно представить в виде реакции
Feж + [S] +(CaO) = (CaS) + (FeO).
Уравнение для константы имеет вид:
К = [pic]
Коэффициент распределения серы
L = (S)/[S] = K(CaO)/(FeO).
Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности
шлака способствует десульфации. Положительную роль оказывает также
повышение температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению
степени удалении серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более
прочные, чем сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные
металлы.
Газы в стали. Газы (кислород, водород и азот) содержаться в любой стали.
Газы даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента оказывают
отрицательное влияние на свойства металла.
Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией: [pic].
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным.
Растворимость водорода и азота в металле починяется закону Стивенса:
[pic]; [pic], где pH и pN - парциальные давления газов; KH и KN -
растворимость водорода и азота при парциальном давлении соответствующего
газа равном, 0,1 МПа.
Уменьшение растворимости при переходе из жидкого в твердое состояние при
кристаллизации стали вызывает выделение газов из металла, что является
причиной образования ряда дефектов, например, флокенов[1], пористости в
слитках готовой стали и т. п. В присутствии некоторых элементов в металле
могут образовываться их соединения с азотом - нитриды. Наличие нитридов в
кристаллической структуре многих сталей отрицательно влияет на свойства
металла.
Азот и водород успешно удаляются из жидкой стали в результате реакции
окисления углерода. Образующийся по этой реакции СО, собирается в пузырьки,
которые вырываются на поверхность металла, пробивают находящийся под
металлов слой жидкого шлака и выходят в атмосферу. В результате этого
создается впечатление кипения жидкой ванны.
Всплывающие пузырьки СО захватывают по пути вверх некоторое количество
других газов - H2 и N2 (рис 1).
Чем энергичнее протекает кипение металла, тем меньше содержание газов и
тем лучше качество металла. Для удаления H2 и N2 применяют также вакуумную
обработку, продувку ванны нейтральным газом (аргоном) и др.
Рис. 1 Схема удаления газов из
жидкого металла в процессе кипения
Раскисление стали. Для снижения содержания кислорода в стали проводят ее
раскисление. Это, как правило, последняя и ответственная операция в
процессе выплавки стали. Раскисление - это процесс удаления кислорода,
растворенного в стали, путем связывания его в оксиды различных металлов,
имеющих большее сродство к кислороду, чем железо.
Наиболее распространенными раскислителями являются марганец и кремний,
используемые в виде ферросплавов, и алюминий.
Реакции раскисления можно представить следующим образом:
[O] + [Mn] = (MnO)
2[O] + [Si] = (SiO2)
3[O] + 2[Al] = (Al2O3)
В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два
метода раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное раскисление.
При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В этом
случае требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления -
оксиды кремния, марганца, алюминия всплыли в шлак. При диффузном раскилении
раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл.
Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания
кислорода в металле происходит за счет его перехода из металла в шлак, т.
е. [O] ==> (O). При диффузионном раскислении не происходит загрязнение
металла неметаллическими включениями - продуктами раскисления.
Для более глубокого раскисления применяют обработку жидкого металла в
вакууме или синтетическими шлаками.
В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и
полуспокойную сталь.
Спокойная сталь - это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря
вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в
связанном с элементом-раскислителем состоянии. При разливки такой стали
газы не выделяются, и она застывает спокойно.
Кипящая сталь - это сталь, частично раскисленная марганцем. При разливке
в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков оксида углерода,
образующихся по реакции: [C] + [O] = {CO}.
Полуспокойная сталь - это сталь, по степени раскисленности занимающая
промежуточное место между кипящей и спокойной.
Полуспокойную сталь ракисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше
(кремнем, алюминием).
[pic]
Производство стали в конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела
жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в
конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая
вводится в металл сверху.
Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был
осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и
Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам
городов, в нашей стране - кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т,
продолжительность плавки в которых составляет 30 - 50 мин.
Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов
массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа
заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава,
использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого
сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью,
малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции.
Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой.
Конвертер имеет грушевидную форму с концентрической горловиной. Это
обеспечивает лучшие условия для ввода в полость конвертера кислородной
фурмы, отвода газов, заливки чугуна и завалки лома и шлакообразующих
материалов. Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной
от 20 до 100 мм. В центральной части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся
с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы
передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться
вокруг горизонтально оси на 360о со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для
больше грузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний
привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу
[pic]
Рисунок 2 Конвертер емкостью 300 т с двухсторонним приводом механизма
поворота
В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали
через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка
закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде.
[pic]
Рисунок 3 Технологическая схема производства стали в кислородном конвертере
Ход процесса. Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит
из следующих основных периодов (рис 3); загрузки металлолома, заливки
чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака.
Загрузка конвертера начинается с завалки стального лома. Лом загружают в
наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового
типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер
устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу
кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Одновременно с началом продувки
загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от
общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в
процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут
после начала продувки.
На процесс рафинирования значительное влияние оказывают положение фурмы
(расстояние от конца фурмы до поверхности ванны) и давление подаваемого
кислорода. Обычно высота фурмы поддерживается в пределах 1,0 - 3,0 м,
давление кислорода 0,9 - 1,4 МПа. Правильно организованный режим продувки
обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком.
Последнее в свою очередь способствует повышению скорости окисления
содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.
Важным в технологии кислородно-конвертерного процесса является
шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход
удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой
стали, выход годного и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки
заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами
(основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи
связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 - 24
минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданными свойствами
зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения
извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность,
условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны,
температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного
шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность
соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500о. В этой
зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и
шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на
плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна
|
