|
|
Курсовая: Производство стали
Курсовая: Производство стали
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 | 1. Введение 2. Производство стали 2.1 Шлаки сталеплавильных процессов 2.2 Основные реакции сталеплавильных процессов 2.2.1 Окисление углерода 2.2.2 Окисление и восстановление Mn 2.2.3 Окисление и восстановление Si 2.2.4 Окисление и восстановление P 2.2.5 Десульфация стали 2.2.6 Газы в стали 2.2.7 Раскисление стали 3. Производство стали в конвертерах 3.1 Кислородно-конвертерное процесс с верхней продувкой 3.2 Кислородно-конвертерное процесс с донной продувкой 3.3 Конвертерный процесс с комбинированной продувкой 4. Производство стали в мартеновских печах 5. Производство стали в электропечах 5.1 Выплавка стали в кислых электродуговых печах 5.2 Способы интенсификации выплавки стали в большегрузных печах 5.3 Плавка стали с рафинированием в ковше печным шлаком 5.4 Плавка стали в индукционной печи 6. Разливка стали 6.1 Разливка стали в слитки 7. Пути повышения качества стали 7.1 Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата 7.2 Производство стали в вакуумных печах 7.3 Производство стали в индукционных печах 7.4 Производство стали в вакуумных дуговых печах 7.5 Плазменно-дуговая плавка 8. Заключение 9. Список рекомендуемой литературы | 3 3 3 4 4 5 5 5 5 6 6 7 8 10 10 11 12 13 13 14 14 15 15 15 16 18 18 19 20 21 22 |
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.
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; P
2O5; 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.
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 = 
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]  (MnO); [Mn] + (FeO)  (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 = 
Откуда коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком:
L = (P2O5)/P2 = K (FeO)5  (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 = 
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:  .
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным.
Растворимость водорода и азота в металле починяется закону Стивенса:
 ; 
, 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 N
2 (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).
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
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.
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 2500
о. 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 и
содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести
составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового
штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.
Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом
наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это
объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно
низких температурах (1450 - 1500о С и менее).
Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение,
т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и
рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.
Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является
неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течении
продувки.
С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс
дефосфорации - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в
первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком
содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро
увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить < 0,02
% Р в готовой стали.
Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать
таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в том,
что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака
(> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации
при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и
содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.
По достижении заданного содержания углерода дутые отключают, фурму поднимают,
конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания
металла и шлака) выливают в ковш.
Полученный металл содержит повышенное содержание кислорода, поэтому
заключительной операцией плавки является раскисление металла, которое
проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали
по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие
добавки.
Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на
шлаковозе под конвертером.
Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом
и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей
- металлолома, железной руды, известняка. Температура металла при выпуске из
конвертера около 1600о С.
Во время продувки чугуна в конвертере образуется значительное количество
отходящих газов. Для использование тепла отходящих газов и отчистки их от
пыли за каждым конвертером оборудованы котел-утилизатор и установка для
очистки газов.
Управление конвертерным процессом осуществляется с помощью современных мощных
компьютеров, в которые вводится информации об исходных материалах (состав и
количество чугуна, лома, |
