Лекции по "Горячей обработке"

Лекции  по горячей обработке

 

Основные  металлургические процессы производства чугуна и стали 

Общие сведения о металлургических процессах

      Задачей металлургии является получение  металлов и металлических сплавов  из руд или из других исходных материалов.  (Рудой называется природное минеральное сырье (горные породы), содержащие металл, извлечь который можно экономически выгодным промышленным способом.)

Известны  следующие способы получения  металлов:

      1. Пирометаллургический, основанный  на том, что необходимое для выплавки  металла тепло обеспечивается за счет сжигания топлива. Примером может служить доменный процесс получения чугуна из железных руд, мартеновский способ передела чугуна в сталь, выплавка меди из медных руд и многие другие процессы.

      2. Электрометаллургический процесс, заключающийся в выплавке металлов и сплавов в дуговых, индукционных и других видах электрических печей. Так, например, получают сталь.

      Некоторые металлы, например алюминий,  получают путем электролиза из расплавов  их химических соединений ( Al из Al2O3) или из водных растворов их солей (например, рафинирование, т.е. получение чистой меди из раствора сернокислой меди CuSO4).

      3. Гидрометаллургический процесс  основан на выщелачивании металлов  из руд при помощи растворителей  и последующим выделении металла из раствора. Он находит применение при получении меди из медных руд.

      4. Химико-металлургический процесс  заключается в получении металла  при помощи химических и металлургических  процессов. Пример - производство  титана. Схема такова: Титановая руда - TiCl4 - восстановление титана магнием.

      Кроме перечисленных способов используют порошковую металлургию, электроннолучевую, плазменную плавку и др. способы. 

Производство  чугуна

  Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий более 2,14% углерода. Кроме углерода в чугуне всегда присутствуют: кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун - основной исходный материал для получения стали.  На производство стали расходуется до 80-85% всего чугуна. Кроме этого чугун является самым распространенным литейным сплавом, т.е. материалом для изготовления отливок.

      Чугун в основном производят в доменных печах, объемом 2000 до 5000 м3.

      Печь  работает непрерывно в течение 5-10 лет. Для этого по мере надобности в  нее сверху загружают порциями (ковшами) шихту, а через специальные отверстия (летки), расположенные внизу сбоку печи выпускают шлаки и расплавленный чугун.

      Шихта представляет собой смесь специально подготовленной железной руды, кокса  и других материалов.

      Домна работает по принципу противотока, т.е. навстречу опускающимся шихтовым материалам снизу вверх движется поток горячих газов, подаваемых в печь. Домна объемом 3000 м3 выплавляет в сутки порядка 5000-5500 т чугуна, выпуск которого производится 12-18 раз в сутки.

      Продуктом доменной плавки является: литейные  и передельные чугуны, а также некоторые ферросплавы.

      Передельные чугуны используют для металлургического  передела на сталь, т.е. для изготовления из них сталей. Наиболее распространенными  из них являются чугуны М1, М2, М3 (3,8-4,4%С, 0,5-1,4%Si, 0,5-1,5%Mn, 0<15-0<3%P, 0,02-0,06%S), которые применяются для выплавки стали мартеновским и кислородно-конверторным способом. Эти чугуны называют коксовыми. Кроме них различают фосфористые (МФ1, МФ2, МФ3), 1-2%Р и высококачественные ПВК1, ПВК2, ПВК3 с минимальным содержанием серы и фосфора (S<0,015%, P<0,02%).

      Литейные  чугуны ЛК0-ЛК5 применяют для получения  литейных заготовок (содержание Si до 3,75%)

Доменные  ферросплавы: зеркальные чугуны З41, З42 и З43 (10-25% Mn), ферромарганец, ферросилиций используют при производстве сталей для раскисления и легирования.

Производство  стали

      В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей, имеющих разнообразное назначение. Для производства стали обычно используют передельный чугун и стальной лом (скрап). Т.к. сталь от чугуна отличается по химическому составу меньшим содержанием углерода, марганца, кремния и др. элементов, передел чугуна в сталь сводится к удалению избытка углерода и примесей. Это достигается проведением окислительной плавки. Для получения легированной стали в процессе ее выплавки вводятся необходимые элементы.

      Одним из наиболее распространенных способов выплавки стали является кислородно-конверторный процесс, который выплавляет до 40% всей стали. Его сущность заключается в продувке расплавленного чугуна струей кислорода. Процесс осуществляется в плавильном агрегате (конверторе) при подаче кислорода на поверхность расплавленного чугуна сверху. Давление кислорода составляет 9-14 ат. Продолжительность продувки 15-25 минут. 

Готовую сталь выпускают в сталеразливочный ковш, куда сливают небольшое количество шлака для предохранения от быстрого охлаждения. Выплавка стали завершается  раскислением, назначение которого уменьшить в стали количество растворенного кислорода. Кислород ухудшает прочность и пластичность стали (красноломкость и хладноломкость).

Суть  раскисления состоит в том, что  в металл вводятся элементы (раскислители), имеющие большое сродство с кислородом, чем у железа. Такими элементами являются марганец (ферромарганец), кремний (ферросилиций) и алюминий. Они вступают в реакцию с кислородом, образуя шлаки, всплывающие на поверхность. Наиболее сильными раскислителями являются кремний и алюминий.

      По  степени раскисления сталь различают на:

      1.Кипящую - наименее раскисленную (только одним ферромарганцем). В таких сталях реакция выгорания углерода [С]+[О]=СО не прекращается и металл продолжает “кипеть” из-за выделения пузырьков СО. Эти газовые пузырьки остаются в большом количестве в теле слитка и устраняются при последующей горячей прокатке. Кипящая сталь наиболее дешевая. При ее производстве получается наибольший выход годного металла.

      2. Спокойную - наиболее раскисленную.

      3. Полуспокойную - частично раскисленную.

      Кислородно-конверторным способом выплавляют все 3 вида сталей.  Известны и другие конверторные способы выплавки стали: бессемеровский, томасовский, Калдо и ОЛП-процесс, отличающиеся некоторыми особенностями: способом подачи кислорода, составом футеровки конвертора, механизмом вращения печи и т.п.

      В России эти методы не нашли широкого применения. 

      Производство  стали в мартеновских печах.

      Процесс разработан в 1865 году французкими металлургами отцом и сыном Мартенами.

      В плавильном пространстве печи сжигается  газообразное топливо или мазут. Основными материалами для выплавки стали являются передельный чугун марок М1, М2 и М3 и стальной скрап. Продолжительность плавки от 3-6 до 12 часов. Печи работают непрерывно, останавливаясь на капитальный ремонт через 400-600 плавок. Емкость печей колеблется от 30-80т до 250-500т, редко до 900т.

      В настоящее время на долю мартеновского  процесса приходится также около 40% выплавляемой стали. Кислородно-конверторный способ более производителен, хотя по качеству стали углеродистые одинаковы.

      Производство  стали в электродуговых печах.

      Процесс получил свое развитие в начале XX века.  Это более современный  способ выплавки, чем вышеперечисленные  способы. Легче регулировать тепловой процесс, производить легирование, создавать необходимую атмосферу плавки или вакуум. В дуговых печах выплавляются качественные, высококачественные и особовысококачественные стали (главным образом легированные и стали с особыми физическими и химическими свойствами). Нагрев и расплавление металла осуществляется 3 электрическими дугами, возбужденными между электродами и расплавленным металлом. Рабочее напряжение - от 100 до 600в, ток до десятков тысяч ампер. Используются угольные или графитизированные электроды, которые постепенно сгорают в процессе плавки. Емкость дуговых печей от 0,5 до 200т.

      Выплавка  сталей в индукционных печах. производится для получения качестввенных нержавеющих, жаропрочных сталей и сплавов. Емкость печей от 20 кг до 30 т. Тепло в плавильной печи образуется  за счет мощных вихревых токов индуктирующихся в металле при пропускании электрического тока (50-60 или 500-10000Гц) через индуктор, окружающий плавильный агрегат.

Разливка  стали

      Разливка  стали производится с помощью  сталеразливочного ковша в который  выпускают сталь из печей. Ковш мостовым краном переносят к месту разливки стали в изложницы, представляющие собой чугунные или стальные формы для получения слитков. Масса слитка составляет от 1-1,5 до 10-12т. Максимальная их масса составляет до 300т.

      Форма сечения изложницы зависит от последующей обработки давлением полученного слитка. Для сортовой прокатки используют слитки квадратного сечения, для листовой прокатки - прямоугольного; для ковки - круглого или многогранного сечения.

 

Непрерывная разливка стали заключается в том, что жидкий металл непрерывно поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где проходит его первичная кристаллизация, затем он вытягиваясь попадает в зону вторичного охлаждения, а затем на тянущие валки. В конце установки слитки разрезаются ацетилено-кислородными горелками на мерны заготовки. Преимущества непрерывной разливки:

      1. Отпадает необходимость иметь  большое количество изложниц.

      2. Металл имеет более плотную,  мелкозернистую структуру.

      3. Слитки имеют лучшее качество  поверхности.

      4. Слитки не нужно прокатывать  на крупных обжимных станах (блюмингах и слябингах).

Способы улучшения кчества  стали

      1. Вакуумирование в  ковше.

      Ковш  с металлом устанавливают в вакуумную  камеру с разрежением 2-5 мм.рт.ст. При  понижении давления растворимость  газов в металле снижается, выделяющиеся газы увлекают с собой неметаллические включения. Снижается содержание газов и неметаллических включений.

      2. Обработка в ковше  синтетическими шлаками.

      Предварительно  в ковш заливают специальный синтетический  шлак. Затем  в ковш выпускают  металл из сталеплавильной печи. В образующейся металлошлаковой эмульсии из-за большой поверхности контакта металла и шлака интенсивнее протекают процессы  рафинирования (очищения) стали. Уменьшается содержание серы и кол-ва неметаллических включений.

      3. Электрошлаковый переплав.

      Этот  процесс заключается в следующем: в специальную установку подается металл в виде переплавляемого электрода  и плавится в слое шлака, нагретого  до 2000^о С. Проходя через слой шлака, мелкие капли металла рафинируются. Под слоем шлака накапливается жидкий металл, постепенно заполняя кристаллизатор-изложницу. Затвердевший слиток вынимают вниз вместе с поддоном кристаллизатора и устанавливают новый поддон для следующей плавки.

      Режим плавки: переменный ток, напряжение 45-60 В, ток  20А на 1 мм диаметра электрода.

      4. Плавка в вакуумной  дуговой печи.

      Плавака ведется в вакууме 10^-1 мм.рт.ст. 

      5. Плавка в вакуумной  индукционной печи.

      Плавка  ведется в печи с разрежением 10^-3 мм.рт.ст.

      6. Электронно-дуговой переплав.

      Плавка  ведется с глубоким вакуумом.

      7. Плазменно-дуговой  переплав. 

Технология  конструкционных  материалов

Основы  литейного производства