|
Реферат: Производство чугуна и стали (Металлургия)
ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Машиностроительный факультет
Кафедра «Резание, станки и инструмент»
РЕФЕРАТ
«Технология производства чугуна и стали»
Студент: Сергеев Андрей
Группа: М – 104
Преподаватель: Малышев В.И.
Тольятти - 1999 г.
1.Производство чугуна и стали.
Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние
времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли,
выдавливая его из губчатого железа, ударами молота.
По мере развития техники производства железа постепенно повышалась
температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться;
стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле
повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился
хрупким и нековким. Так появился чугун.
Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый
способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до
настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного
процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного
передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других
примесей.
Современный высокий уровень металлургического производства основан на
теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и
на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит
русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили
природный газ для доменной плавки.
2. Производство чугуна.
2.1. Исходные материалы.
Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в
доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие
железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически
выгодной.
Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным
веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая
порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых
веществ и реже – из доломита или известняка.
В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми,
которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают
обогащению.
В доменном производстве применяют разные железные руды.
Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси
железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда
содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость
железа из руды хорошая.
Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится
25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода
железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.
Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.
руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый
или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с
примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается
труднее, чем из других руд.
Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В
этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и
грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из
всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.
Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов
марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.
2.2. Производство чугуна в доменной печи.
Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из
огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около
12 м.
Разрез доменной печи схематически изображен на рисунке.
[pic]
Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху
отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой –
кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а
нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать
вдувается горячий воздух или кислород.
Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и
коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная
с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура
поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода.
Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части
печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс
сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои
наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся
оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.
Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части
шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.
Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более
легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса
используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2,
легко отделяющийся в виде шлака.
При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии.
Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и
растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в
нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна,
предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления
через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.
Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в
особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания
вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того
как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции.
Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и
загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При
опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение
нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.
Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах
кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха
предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает
необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается.
Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход
топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса
на ј меньше чем обычная.
3 Производство стали.
В стали по сравнению с чугуном содержится меньше углерода, кремния,
серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить
концентрацию веществ путем окислительной плавки.
В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в
основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических
печах.
3.1. Производство стали в конверторах.
Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть
называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий
чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В
нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым.
К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.
Емкость современных конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление
воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для
переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.
Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального
положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого
чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и
одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия
фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна
выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.
При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в
горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл
раскисляют и выливают в ковш.
Бессемеровский процесс. В конвертор заливают жидкий чугун с достаточно
высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца (0,6-0,9%), и
минимальным количеством серы и фосфора.
По характеру происходящей реакции бессемеровский процесс можно разбить
на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и
продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают
мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются
кремний, марганец и частично железа по реакциям:
Si + O2 = SiO2,
2Mn + O2 = 2MnO,
2Fe + O2 = 2FeO.
Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле,
способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают
с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак
получается кислым (40-50% SiO2).
Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и
марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются
благоприятные условия для окисления углерода по реакции C + FeO = Fe + CO,
которая протекает с поглощением тепла. Горение углерода продолжается 8-10
мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла.
Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора
появляется яркое пламя.
По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной
уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих
периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает,
что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и
началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не
более 2 – 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное
положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или
алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. В металле
происходят реакции
FeO + Mn = MnO + Fe,
2FeO + Si = SiO2 + Fe,
3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.
Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на
разливку.
Чтобы получить сталь с заранее заданным количеством углерода (например,
0,4 – 0,7% С), продувку металла прекращают в тот момент, когда из него
углерод еще не выгорел, или можно допустить полное выгорание углерода, а
затем добавить определенное количество чугуна или содержащих углерод
определенное количество ферросплавов.
Томасовский процесс. В конвертор с основной футеровкой сначала
загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий 1,6-
2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе образуется
известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора.
Заполнение конвектора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья
происходят также как и в бессемеровском процессе.
В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний,
марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла
несколько повышается.
Во второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается
некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в
металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий
период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор
2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4*P2O5 + 5Fe.
В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку
тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки
содержат 16 – 24% Р2О5.
Данная реакция сопровождается выделением значительного количества
тепла, за счет которого происходит более резкое повышение температуры
металла.
Перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к.
содержащиеся в раскислителях углерод, кремний, марганец будут
восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую
сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового
проката.
Кислородно-конверторный процесс. Для интенсификации бессемеровского и
томасовского процессов в последние годы начали применять обогащенное
кислородом дутье.
При бессемеровском процессе обогащения дутья кислородом позволяет
сократить продолжительность продувки и увеличить производительность
конвертора и долю стального скрапа, подаваемого в металлическую ванну в
процессе плавки. Главным достоинством кислородного дутья является снижение
содержания азота в стали с 0,012-0,025(при воздушном дутье) до 0,008-
0,004%(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислорода с
водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество
бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и
электрических печах.
Большой интерес представляет использование чистого кислорода для
выплавки чугуна в глуходонных конверторах сверху с помощью водоохлаждаемых
фурм.
Производство стали кислородно-конверторным способом с каждым годом
увеличивается.
3.2.Производство стали в мартеновских печах.
В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с
использованием горячего дутья.
Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две пары
регенераторов(воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и
воздух проходят через нагретую до 1200( С огнеупорную насадку
соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200( С. Затем по
вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и
сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750( С.
Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару
регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-
утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары
регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через
них газы и воздух до 1100( С, левая пара регенераторов нагревается примерно
до 1200-1300( С. В этот момент переключают направление движения газов и
воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и
воздуха.
Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного,
коксовального и генераторного газов. Также применяют и природный газ.
Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для
нагрева воздуха.
Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в печь наполненной
машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и
шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с
факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через
отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки
выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.
Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным.
При кислом процессе огнеупорная кладка печи выполнена из динасов ого
кирпича. Верхние части подины наваривают кварцевым песком и ремонтируют
после каждой плавки. В процессе плавке получают кислый шлак с большим
содержанием кремнезема (42-58%).
При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают из
магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового
кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым
порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают
кислый шлак с большим содержанием 54 – 56% СаО.
Основной мартеновский процесс. Перед началом плавки определяют
количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк,
железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи
заливочной машины мульда (специальная коробка) с шахтой вводится в
плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта
высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более
крупный и на него кусковую известь (3 – 5 % массы металла). После прогрева
загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун
двумя тремя порциями.
Этот порядок загрузки материалов позволяет их быстро прогреть и
расплавить. Продолжительность загрузки шихты зависит от емкости печи,
характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 – 3 ч.
В период загрузки и плавления шихты происходит частичная окисление
железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования
первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала за счет кислорода
печных газов и руды, а затем за счет закиси железа растворенной в шлаке.
Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит
10 –15% FeO, 35 –45% CaO, 13 – 17% MnO. После образования шлака жидкий
металл оказывается изолированным от прямого контакта с газами, и окисление
примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится
закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке. Увеличение
концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ее концентрации в
металле.
Для более интенсивного питания металлической ванны кислородом в шлак
вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний,
марганец, фосфор и углерод по реакциям, рассмотренным выше.
К моменту рас плавления всей шихты значительная часть фосфора переходит
в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и
извести. Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом
кипения ванны 40 – 50% первичного шлака из печи.
После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для
образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи
увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешла в шлак, а
температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 – 20
мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов
железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода
[C] + (FeO) = Coгаз.
Образуется окись углерода выделяется из металла в виде пузырьков,
создавая впечатление его кипения, что способствует перемешиванию металла,
выделение металлических включений и растворенных газов, а также
равномерному распределению температуры по глубине ванны. Для хорошего
кипения ванны необходимо подводить тепло, так как данная реакция
сопровождается поглощением тепла. Продолжительность периода кипения ванны
зависит от емкости печи и марки стали, и находится 1,25 – 2,5 ч и более.
Обычно железную руду добавляют в печь в первую периода кипения,
называемого полировкой металла. Скорость окисления углерода в этот период в
современных мартеновских печах большой емкости равна 0,3 – 0,4% в час.
В течение второй половины периода кипения железную руду в ванну не
подают. Металл кипит мелкими пузырьками за счет накопленных в шлаке окислов
железа. Скорость выгорания углерода в этот период равна 0,15 – 0,25% в час.
В период кипения, следя за основностью и жидкотекучестью шлака.
Когда содержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем
требуется для готовой стали, начинается последняя стадия плавки – период
доводки и раскисления металла. В печь вводят определенное количество
кускового ферромарганца (12% Mn), а затем через 10 – 15 мин ферросилиций
(12-16% Si). Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле
кислородом, в результате чего реакция окисления углерода
приостанавливается. Внешним признаком освобождения металла от кислорода
является прекращение выделения пузырьков окиси углерода на поверхности
шлака.
При основном процессе плавки происходит частичное удаление серы из
металла по реакции
[FeS] + (CaO) = (CaO) + (FeO).
Для этого необходимы высокая температура и достаточная основность
шлака.
Кислый мартеновский процесс. Этот процесс состоит из тех же периодов,
что и основной. Шихту применяют очень чистую по фосфору и сере. Объясняется
это тем, что образующийся кислый шлак не может задерживать указанные
вредные примеси.
Печи обычно работают на твердой шихте. Количество скрапа равно
30 – 50% массы металлической шихты. В шихте допускается не более 0,5% Si.
Железную руду в печь подавать нельзя, так как она может взаимодействовать с
кремнеземом подины и разрушать ее в результате образования легкоплавкого
соединения 2FeO*SiO2. Для получения первичного шлака в печь загружают
некоторое количество кварцита или мартеновского шлака. После этого шихта
нагревается печными газами; железо, кремний, марганец окисляются, их окислы
сплавляются с флюсами и образуют кислый шлак, содержащий до 40 –50 % SiO2.
В этом шлаке большая часть закиси железа находится в силикатной форме, что
затрудняет его переход из шлака в металл. Кипение ванной при кислом
процессе начинается позже, чем при основном, и происходит медленнее даже
при хорошем нагреве металла. Кроме того, кислые шлаки имеют повышенную
вязкость, что отрицательно сказывается на выгорании углерода.
Так как сталь выплавляется под слоем кислого шлака с низким содержанием
свободной закиси железа, этот шлак защищает металл от насыщения кислородом.
Перед выпуском из печи в стали содержится меньше растворенного кислорода,
чем в стали, выплавленной при основном процессе.
Для интенсификации мартеновского процесса воздух обогащают кислородом,
который подается в факел пламени. Это позволяет получать более высокие
температуры в факеле пламени, увеличивать ее лучеиспускательную
способность, уменьшать количество продуктов горения и благодаря этому
увеличивать тепловую мощность печи.
Кислород можно вводить и в ванну печи. Введение кислорода в
факел и в ванну печи сокращает периоды плавки и увеличивает
производительность печи на 25-30%. Изготовление хромомагнезитовых сводов
вместо динасовых позволяет увеличивать тепловую мощность печей, увеличить
межремонтный период в 2-3 раза и повысить производительность на 6-10%.
3.3. Производство стали в электрических печах.
Для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и
индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое
применение в металлургической промышленности.
Дуговые печи имеют емкость 3 - 80 т и более. На металлургических
заводах устанавливают печи емкостью 30 –80 тонн. В электрических печах
можно получать очень высокие температуры (до 2000( С), расплавлять металл с
высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак,
хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную
атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и
дегазации металла.
Нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла,
излучаемого тремя электрическими дугами. Электрические дуги образуются в
плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и
металлической шихтой.
Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный
кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок;
съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления
вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона
печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону
загрузочного окна для скачивания шлака.
В сталеплавильных печах применяют угольный и графитированные электроды.
Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет
350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому
электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху.
Технология выплавки стали в дуговых печах. В электрических дуговых
печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для
выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в
дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с
окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна
технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам).
После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в
шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и
обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий
стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно.
Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов.
Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками
через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят
в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до
легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов
кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.
При плавки стали в дуговых печах различают окислительный и
восстановительный периоды.
Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется
кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие
элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция
окисления такие же, как и при основном мартеновском процессе. Фосфор из
металла удаляется в течение первой половины окислительного периода, пока
металл в ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный
фосфористый шлак в количестве 60 – 70% удаляют из печи.
Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную
известь и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания
первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода.
Для интенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество
железной руды или окалины и шлакообразующих веществ.
Во время кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает,
растворенные газы и неметаллические включения удаляются. При этом отбирают
пробы металла для быстрого определения в нем содержания углерода и марганца
и пробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается
равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.
После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период
окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу,
то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.
В восстановительный период плавки раскисляют металл, переводят
максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав
металла до заданного и подготовляют его к выпуску из печи.
Восстановительный период плавки в основных дуговых печах при выплавке
сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым)
слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным
шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую
из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности
образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы
шлака имеют темный цвет.
Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают
второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плапикового шпата,
молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и
MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла
начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия к концу
восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под
влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке
содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь,
что позволяет эффективно удалять серу из металла.
Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые
добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи
алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного
процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность
шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и
плавикого шпата. При высоких температурах протекает реакция
CaO + 3C = CaC2 + CO.
Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную и
обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования
карбидного шлака печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55
–65% СаО и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.
При выплавке стали методом переплава, в печь не загружают железную
руду; условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных
отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в
шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15% мягкого
железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не
удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят
из шлака в металл.
Устройство и работа индукционных печей. Индукционные печи отличаются от
дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная
печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная
катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается
переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи
переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл.
Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.
В немагнитном каркасе имеются индуктор и огнеупорный плавильный
двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом
витков медной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Металл
загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток
вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от
генератора к индуктору осуществляется посредством гибкого кабеля или медных
шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и
состава шихты. Обычно в индукционных печах используется ток частотой 500 –
2500 гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора
выбирают из расчета 1,0 – 1,4 квт/кг шихты. Плавильные тигли печей
изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.
В индукционных печах сталь выплавляют методом переплава шихты. Угар
легирующих при этом получается очень небольшим. Шлак образуется при
загрузке шлакообразующих компонентов на поверхность расплавленного металла.
Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак
не обладает магнитной проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для
выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.
В индукционных печах нет углерода, поэтому металл не науглероживается.
Под действием электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет
химические реакции и способствует получению однородного металла.
Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и
сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния.
4. Новые методы производства и обработки стали.
Электроннолучевая плавка металлов. Для получения особо чистых металлов
и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на
использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших
ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется
поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.
Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные лучи
позволяют получить высокую плотность энергии нагрева, регулировать скорость
плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля
и применять шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании
с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия
для очистки металла от различных примесей.
Электрошлаковый переплав. Очень перспективным способом получения
высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли
металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого
металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной
кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на
30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза.
Вакуумирование стали. Для получения высококачественной стали, широко
применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое
количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если
воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом
способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой
удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование стали производится в ковше
перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаются тогда, когда
сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же в
вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционных
печах.
Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность
этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и
неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали
в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной
шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает
высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования
в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 –
15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству
близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.
Список используемой литературы.
1. «Технология металлов и других конструкционных материалов» В.Т.Жадан,
Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов Издание второе.
2. «Общая химия» Н.Л. Глинка Издание двадцать третье.
3. «Металлургия» А.П. Гуляев 1966 год.
Реферат на тему: Прокат металла
1 Виды брака при холодной прокатке труб 2 и способы его предупреждения
3
Наиболее часто при холодной прокатке труб прослеживаются
следующие виды брака: закат, вмятины, чрезмерная волнистость,
раковины и задиры на внутренней поверхности, отклонение -
диаметра и толщины стенки от заданных размеров.
Рассмотрим причины брака и способы его устранения.
4 Закат
Во время рабочего хода клети металл попадает в зазоры
между калибрами, образуя на поверхности рабочего конуса острые
боковые выступы. При обратном движении клети выступы
вдавливаются калибрами в поверхность рабочего конуса и остаются
на прокатанной трубе в виде рванин , называемых закатом. Рванины
расположены на поверхности трубы по спирали в соответствии с
углом поворота трубы.
образованию боковых выступов (”усов”) на рабочем конусе и
заката на трубах способствуют чрезмерные зазоры между калибрами,
неравномерное их распределение, недостаточная ширина отдельных
участков ручья, несоответствие размеров оправки профилю ручья,
большая выработка ручья по глубине и несоответствие ширины ручья
высоте, неравномерная подача или броски заготовки, подача
заготовки, превышающая расчетную, прекращение поворота
прокатываемой трубы.
Чрезмерные зазоры между калибрами необходимо уменьшить и
перераспределить, пользуясь способом, изложенным выше. При
недостаточной ширине отдельных участков ручья необходимо
отыскать места, где металл “закусывает” кромками ручья калибров.
Для этого клеть останавливают в исходном положении.
Ускоренным движением патрона заготовку подают вперед на
величину, равную примерно 1,5 нормальных подач, затем
настроечной скоростью клеть перекатывают в переднее положение.
Необкатанный рабочий конус извлекают из стана вместе с оправкой
и стержнем. Осмотром поверхности рабочего конуса и ручья
калибров довольно точно определяют участки, где металл
переполняет ручей и где необходимо, в связи с этим, увеличить
развалку. Достигается это расшлифовкой ручья в стане с помощью
пневматической роторной машинки модели СД-8М.
Несоответствие размеров оправки профилю ручья вызывает
сосредоточенное обжатие металла, избыток которого попадает
В зазоры между калибрами. Устранение указанного
достигается чаще всего установкой новой оправки с большим
диаметром цилиндрической части ее, т. е. увеличением угла
наклона образующей конуса оправки.
При большой выработке ручья по глубине и несоответствии
ширины ручья высоте (наблюдается при длительной работе калибров)
необходимо увеличить развалку ручья, максимально сблизить
калибры, не допуская работы их в “обкат” (если позволяют размеры
прокатываемых труб) и несколько уменьшить подачу. Если
указанными мерами закаты не устраняются, необходимо сменить
калибры.
Способы настройки стана при неравномерной подаче или
бросках заготовки изложены выше. При прекращении поворота
прокатываемой трубы необходимо отрегулировать работу переднего
патрона.
Следует учитывать, что, закаты на трубах образуются не
только по какой-либо из перечисленных причин в отдельности, но и
совокупностью нескольких из них.
5 Вмятины
Вмятины на поверхности труб возникают чаще всего в
предготовом участке ручья и при обратном движении клети на
оправке не раскатываются. Причины образования вмятин: большие
зазоры между калибрами и крутая развалка в предготовом участке
ручья, относительное смещение калибров в горизонтальной
плоскости, изъяны на поверхности калибров.
В случае больших зазоров между калибрами и крутой развалки
в предготовом участке ручья при движении клети вперед металл,
заполняя пространство в выпусках, подврезается краями ручья
калибров и при обратном движении клети вдавливается в
поверхность труб. Вмятины обычно расположены на поверхности труб
по спирали, в соответствии с углом поворота трубы. При разной
величине зазоров между калибрами в одном радиальном сечении
вмятины могут появиться с одной стороны рабочего конуса.
Для устранения вмятин необходимо уменьшить крутизну
развалки в предготовом участке ручья, используя для э, того
шлифовальную роторную машинку СД-8М. Кроме того, следует
уменьшить зазоры между калибрами в местах образования вмятин.
Смещение калибров относительно друг друга в горизонтальной
плоскости (рис. 152) вызывает подрезы на поверхности рабочего
конуса в предготовом и калибрующем участках ручья При обратном
движении клети они не раскатываются, а остаются на поверхности
труб в виде вмятин. В этом случае необходимо восстановить
симметрию валков и тщательно закрепить в станине рабочей клети
кассеты валковых подшипников.
Изъяны - смятия на отдельных участках поверхности калибров
возникают в результате попадания в зазоры между ними осколков
металла от прокатываемых труб. Такие повреждения наблюдаются
чаще всего при низкой твердости калибров.
Смятые кромки в предготовом или калибрующем участках ручья
при, водят к образованию на поверхности труб вмятин. При этом
необходимо зачистить смятые края калибров и восстановить в этих
местах требуемую ширину ручья. Вмятины возникают также при
чрезмерной и неравномерной подаче и бросках заготовки. Вмятины
чаще всего наблюдаются при прокатке тонкостенных труб.
6 Чрезмерная волнистость
Для холоднокатаных труб промежуточных размеров
волнистость, как правило, не служит браковочным признаком. При
прокатке труб на готовый размер чрезмерная волнистость мажет
быть причиной забракования в том случае, если наружный диаметр и
овальность труб имеют отклонения больше допускаемых. Причинами
чрезмерной волнистости могут быть износ поверхности калибрующего
участка ручья и превращение его из цилиндрического в конический,
некачественная обработка зева поворота, неправильная настройка
механизма поворота трубы, Чрезмерная волнистость в результате
увеличенного износа калибрующего участка наблюдается при
повышенном обжатии в предготовом участке ручья. В этом случае
калибровкой (и настройкой) инструмента следует предусмотреть
минимальное обжатие по диаметру и стенке рабочего конуса в
предготовом участке.
При некачественной обработке зева поворота на поверхности
труб появляются кольцеобразные вмятины. Во избежание этого при
расточке, шлифовке и полировке ручья необоходимо сделать плавный
переход от поверхности ручья к зеву. В стане зев шлифуют при
помощи переносной шлифовальной машинки.
В случае неверной настройки механизма поворот трубы
начинается тогда, когда труба еще не высвобождена калибрами. На
поверхности труб при этом получаются вмятины и поперечные
задиры. Правильная настройка поворота исключает образование
волнистости по указанной причине.
Волнистость существенно увеличивается при несовпадении оси
патрона заготовки и переднего патрона с осью прокатки. Смещение
оси прокатки в горизонтальной плоскости вызывается ослаблением
крепления кассет валковых подшипников в станине рабочей клети и
сдвигом вследствие этого валков в одну сторону. В вертикальной
плоскости ось прокатки смещается из-за износа катков, опорных
рельсов, износа подошвы валков. Для определения направления и
величины смещения оси прокатки стан освобождают от прокатываемой
трубы и извлекают калибры. В центре шпинеделей патрона
заготовки и переднего патрона закрепляют натянутую стальную
струну. В крайних положениях клети измеряют отклонение центра
кольцеобразной выточки на валках от струны. По данным измерений
смещают валки и требуемом направлении.
Смещение оси прокатки можно определить и вторым способом.
Клеть при зтом перекатывают в переднее положение,
кулачками переднего патрона зажимают тщательно выправленный
кусок трубы таким образом, чтобы конец ее попал в выточку на
валках. Затем измеряют отклонение выточки от центра трубы. По
данным измерений регулируют валки.
Второй способ определения направления и величины смещения
оси прокатки выполняется значительно быстрее в сравнении с
первым.
Волнистость увеличивается также при неравномерной подаче и
бросках заготовки.
7 Кольцеобразные отпечатки на внутренней 8 поверхности труб
Кольцеобразные отпечатки на внутренней поверхности труб
образуются в случае, когда стержень с оправкой отведены назад
настолько, что передний конец оправки попадает в предготовый
участок ручья. Во время прокатки острие конца оправки наносит на
внутренней поверхности труб кольцеобразные отпечатки. Поломка
конца оправки в предготовом участке также приводит к образованию
кольцеобразных отпечатков внутри труб.
Предотвращение этого вида брака достигается правильной
установкой оправки, т. е. так, чтобы передний конец ее (при
наиболее удаленном от калибров положении стержня) находился у
зева поворота, а также систематической проверкой состояния конца
оправки во время перезарядки на станах с боковой загрузкой
заготовки и контролем качества внутренней поверхности труб, если
осмотр оправки затруднен (на станах с тор новой загрузкой
заготовки).
9 Поперечные риски (задиры) на наружной 10 поверхности труб
Поперечные риски на наружной поверхности труб вызываются
неправильной настройкой поворота трубы, некачественной отделкой
или недостаточной длиной зева поворота.
При неправильной настройке поворота прокатываемая труба
касается поверхности ручья в месте перехода к зеву, вследствие
чего на трубе образуются поперечные риски. Поперечные риски и
продольные царапины образуются на трубе при неровной поверхности
проводки и кулачков переднего патрона, а также в случае, если
концы подкладок выступают из-под калибров.
Тщательная подготовка калибров, проводки и кулачков
переднего патрона, а также правильная настройка поворота
исключают на трубах указанные дефекты.
11 Рванины на наружной поверхности, 12 раковины и задиры на внутренней 13
поверхности труб
При попадании в зазоры между калибрами кусочков металла от
прокатываемых труб (например во время стыкования) края калибров
зачастую выкрашиваются или деформируются (при низкой твердости).
Во время движения клети вперед в углубления ручья попадает
металл, образуя на поверхности рабочего конуса выступы. При
обратном движении клети выступы раскатываются и остаются на
поверхности труб в виде рванин. Иногда на поверхности ручья
образуются раковины. В этом случае возникает дефект, аналогичный
приведенному.
Избежать выкрашивания (или смятия) кромок ручья калибров и
образования раковин на поверхности ручья можно тщательной
настройкой стана и правильным подбором инструмента, не допуская
сосредоточенных обжатий, заготовки и стыкования концов труб на
оправке. Дефекты на поверхности ручья зачищают ручной
шлифовальной машинкой.
Раковины на внутренней поверхности труб возникают в
результате попадания внутрь заготовки инородных тел, чаще всего
кусочков металла и окалины. Во время прокатки они вдавливаются в
металл, оставляя на поверхности еле заметные (в виде
шероховатости) или достаточно глубокие отпечатки. Кусочки
металла могут попасть внутрь, заготовки при неполном удалении
заусенец. Окалина и осколки металла, скапливаясь на поверхности
стержня, в шпинделе патрона заготовки, в промежуточном патроне и
полости винта подачи попадают в, заготовку. Инородные тела
вносятся внутрь заготовки смазкой.
Во избежание раковин на внутренней поверхности труб
необходимо тщательно удалять окалину с внутренней поверхности
заготовки. При обрезке концов заготовки надо полностью снять
заусенцы. Периодически следует очищать полость винта подачи,
шпиндель патрона заготовки, промежуточный патрон и стержень от
кусочков металла и окалины. Смазку необходимо защищать от
загрязнения.
Задиры на внутренней поверхности образуются при прокатке
труб из низколегированных и нержавеющих сталей в результате
налипания частиц металла на поверхность оправки. Налипшие на
оправку частицы металла образуют задиры (риски) на внутренней
поверхности труб.
Частицы металла налипают под действием усилий прокатки и
сил трения. Наличие шероховатости на сопряженных поверхностях
деформируемого металла и инструмента приводит к резкому
увеличению сил трения и удельного давления в местах контакта.
Соприкасающиеся металлы взаимно внедряются друг В друга, в
результате чего между ними появляются силы молекулярного
взаимодействия. Отрыв (срез) частиц металла и схватывание их с
поверхностью оправки происходит в связи с тем, что связь металл
- инструмент оказывается сильнее связи нижележащих слоев
прокатываемого металла.
Схватывание металла чаще всего наблюдается на поверхности
оправки в предготовом участке ручья, где металл бывает
значительно наклепан и удельное давление прокатки максимально.
Схватывание наклепанного металла связано с аккумулированием
энергии деформирования кристаллической решетки металла.
Схватыванию металла в указанном участке ручья способствует
недостаток смазки, выдавливаемой при прокатке. Налипание частиц
металла тем больше, чем ниже твердость оправки и хуже качество
ее полировки.
Для предотвращения схватывания металла и образования
задиров на внутренней поверхности труб необходимы: высокая
твердость поверхности оправок (55 - 60 RC); шлифовка и
полировка, обеспечивающие высокую чистоту поверхности оправки и
отсутствие каких-либо дефектов на ней; хромирование оправок;
применение покрытий и смазок, создающих прочную пленку на
поверхности металла и инструмента; исключение сосредоточенного
обжатия заготовки путем правильного подбора инструмента и
тщательной настройки стана; плотное крепление калибров,
исключающее их перемещение в валках; выравнивание скорости
прокатки с окружной скорость калибров путем правильного выбора
диаметра начальной окружности ведущих шестерен валков;
уменьшение скольжения металла на оправке созданием небольшого
осевого перемещения (люфта) стержня в суппорте патрона. Следует
при этом иметь в виду, что при прокатке труб из заготовки со
стенкой толщиной 1,5 - 2,0 мм такая мера может привести к
стыкованию заготовки.
14 Граненость
При прокатке труб в калибрах с низкой твердостью поверх
либра появляются продольные углубления. Образование их связано с
обжатием при обратном движении клети в одних и тех же местах
ручья участков рабочего конуса с утолщенной стенкой, получаемой
в выпусках ручья. Готовые холоднокатаные трубы имеют в этом
случае граненую поверхность. При безоправочном волочении таких
труб граненой получается внутренняя поверхность. Чрезмерная
развалка ручья способствует увеличению гранености.
15 Отклонение диаметра за пределы допусков 16 и овальность труб
Отклонение наружного диаметра труб от номинальных значений
чаще всего связано с искажением поперечного профиля ручья -
глубины и ширины - в предготовом и калибрующем участках.
Чрезмерная или недостаточная глубина ручья, увеличенная
развалка, неправильное распределение зазоров между калибрами -
основные причины искажения профиля труб Овальность сверх допуска
наблюдается при значительной волнистости труб.
Тщательная подготовка инструмента и настройка стана В
сочетании с постоянным контролем труб во время прокатки
исключают брак по несоответствию диаметра и овальности труб
техническим условиям.
17 Брак по металлу
Брак по металлу получается в случае прокатки заготовки с
дефектами - пленами, рванинами, волосовинами, ужимами, глубокими
раковинами, задирами. Пороки заготовки в процессе прокатки не
устраняются, а раскатываются, изменяя очертание и глубину
залегания.
Заготовку, направляемую на холодную прокатку, следует
тщательно осмотреть и в случае обнаружения дефектов
отремонтировать. Только при этом условии можно получить
холоднокатаные трубы без дефектов, указанных выше.
Удаление дефектов на готовых трубах в большинстве случаев
невозможно из-за малых размеров труб (особенно затруднено или
совершенно невозможно удаление дефектов на внутренней
поверхности) и экономически нецелесообразно. Применение
пескоструйных аппаратов для удаления дефектов на внутренней
поверхности холоднокатаных труб, как правило, не дает нужного
эффекта.
18 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ :
1. Кофф З.А. и др., “Холодная прокатка труб”, Свердловск,
Металлургиздат, 1962.
| |
