Производство стали - Разработка технологического процесса изготовления детали "зубчатое колесо"

Сущность процесса

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.

Таблица 1.1

Материал	C	Si	Mn	P	S
Предельный чугун	4-4,4	0,76-1,26	До 1,75	0,15-0,3	0,03-0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,14-0,22	0,12-0,3	0,4-0,65	0,05	0,055

Поэтому сущность любого металлургического передела в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, с кислородом в сталеплавильной печи

Fe + 1/2O2 = FeO + 263,68 кДж (1)

Одновременно с железом окисляется Si, P, Mn, C и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

2Fe + Si = SiO2 + 2Fe + 330,5 кДж 5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 225,94 кДж

FeO + Mn = MnO + Fe + 122,59 кДж

FeO + C = CO + Fe - 153,93 кДж

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла, и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. В соответствии с законом распределения (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но не смешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения) постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Mn, Si, P, S) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения, в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новым путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

Используя изложенные законы, процессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла не высока; интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, P, Mn по реакциям (1)-(4). Наиболее важная задача этого этапа: удаление фосфора - одной из вредных примесей в стали. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий CaO. Выделяющийся по реакции (3) фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3? P2O5. Оксид кальция CaO - более сильное основание, чем оксид железа поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид P2O5, переводя его в шлак:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = ?(4CaO? P2O5) + 5[Fe] (6)

Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что для удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную печь в этот период плавки добавляют окалину, железную руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками CaO.

Второй этап - "кипение" металлической ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла в соответствии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Поскольку в металле содержится больше углерод, чем других примесей (см. табл. 1.1), то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение" ванны. При "кипении" уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также другие газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап "кипения" ванны является основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем больше количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO) (7)

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и [CaO] в шлаке:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (8)

Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Как следует из реакции (7) и (8), чем больше в шлаке (CaO) и меньше (FeO), тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому, при плавки в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

Третий этап (завершающий) - раскисление стали - заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механический процесс стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы(Mn, Si, Al, и др.), которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды MnO, SiO2, Al2O3 и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченом виде загружают на поверхность шлака Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, сто уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные кипящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердивании слитка, благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO + C = Fe + CO оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее "кипение". Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений - продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали Осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавки и разливке практически не окисляются и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Лигирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после или одновременно с раскислителем, в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических, дуговых электропечах.

Существует три способа производства стали:

1. Производство стали в конверторах; 2. Производство стали в мартеновских печах; 3. Производство стали в электропечах.

Данная сталь со средним содержанием углерода. Для ее воспроизводства необходимо и достаточно применить "Мартеновские печи".

Производство стали в мартеновских печах

Устройство и работа мартеновской печи. Мартеновская печь (рис.2.3) - пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет рабочее плавильное пространство, ограниченное снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают основные окислы, процесс называют мартеновским процессом, а если кислые - кислым. Основную мартеновскую печь футеруют магнезитовым кирпичом, на который набивают магнезитовый порошок. Кислую мартеновскую печь футеруют динасовым кирпичом, а подину набивают из кварцевого песка. Свод мартеновской печи делают из динансового кирпича или магнезитохромитового кирпича. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней - отверстие 9 для выпуска готовой стали.

В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200-900т жидкой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Например, для печи вместимостью 900т площадь пода составляет 115м2. Головки печи 2 служат для смешения топлива (мазута или газа) с воздухом и подачи этой смеси в плавельное пространство.

Для подогрева воздуха и газа (при работе на низкокалорийном газе) печь имеет два регенератора 1). Регенератор - это камера, в которой размещена насадка - огнеупорный кирпич, выложенный в клетку. Отходящие из печи газы имеют температуру 1500 - 1600єC. Попадая в регенераторы, газы нагревают насадку до 1250 - 1280єС. Через один из регенераторов, например, правый, подают воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры 1100 - 1200єС и поступает в головку печи, где смешивается с топливом: на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6. Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли, и направляются во второй (левый) регенератор, нагревая его насадку. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8. После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны и поток газов в печи изменяет направление: через нагретые левый регенератор и головку в печь поступает воздух, а правый нагревается теплотой отходящих газов.

Факел имеет температуру 1750 - 1800єС и нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25-45% чушкового предельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55-75%), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой, что позволяет переделывать в сталь различные шихтовые материалы.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи. В печь с помощью завалочной машины загружают железную руду и известняк и после их прогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который взаимодействует с железной рудой и скрапом. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор по реакции (6), марганец и частично углерод. Оксиды SiO2, P2O5, MnO, а также CaO и извести образуют шлак с высоким содержанием FeO и MnO (железистый шлак).

После расплавления шихты, окисление значительной части примесей и разогрева металла проводят период "кипения" ванны: в печь загружают железную руду или продувают ванну подаваемым по трубам 3 (см. рис2.3) кислородом. Углерод в металле интенсивно окисляется, образуется оксид углерода. В это время отключают подачу топлива и воздуха в печь и удаляют шлак.

Для удаления из металла серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита или плавикового шпата для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрастает, а FeO уменьшается. Это создает условия для интенсивного протекания реакции (7) и (8) и удаления из металла серы.

В период "кипения" углерод интенсивно окисляется. Поэтому для "кипения" ванны шихта должна содержать избыток углерода (на 0,5-0,6%) сверхзаданного в выплавляемой стали. В процессе "кипения" металл доводится до заданного химического состава, его температура выравнивается по объему ванны, из него удаляются газы и неметаллические включения. Процесс "кипения" считают окончившимся, если содержание углерода в металле соответствует заданному, а содержание фосфора минимальным, после этого металл раскисляют в два этапа: 1) в период "кипения" прекращают загрузку руды в печь, вследствие раскисление идет путем окисления углерода металла, одновременно подавая раскислители - ферромарганец, ферросилиций, алюминий; 2) окончательно раскисляют алюминием и ферросилицием в ковше при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в сталеразливочный ковш через отверстие в задней стенке печи.

В основных мартеновских печах выплавляют, стали углеродистые конструкционные, низко - и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основной шлак для удаления фосфора и серы, то применяют шихту с низким содержанием этих составляющих. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений, чем выплавленные в основной печи. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Производство стали - Разработка технологического процесса изготовления детали "зубчатое колесо"

Похожие статьи