Основы металлургического производства

1. Материалы, применяемые для производства металлов и сплавов.

Для производства металлов и сплавов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называется горная порода, из которой при данном развитии техники целесообразно извлекать металлы и их соединения.

Флюсы – материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой или концентратом и золой топлива (шлака).

Топливом в плавильных печах является кокс, природный газ, доменный газ.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного покрытия металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Покрытие должно быть образованно из оксидов одного типа с флюсом (основным, кислотным или нейтральным). В противном случае произойдет разрушение покрытия.

2. Назначение флюса. Пример.

Флюсы в производстве металлов применяют для отделения от расплавленного металла пустой породы или концентрата или золы топлива.

Образованный шлак имеет меньшую плотность, нежели металл, благодаря чему он поднимается на поверхность и подвергается удалению.

Так при изготовлении чугуна применяется CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

3. Назначение кокса. Получение.

В доменном производстве кокс играет роль топлива. Кокс получается на коксохимических предприятиях путем сухой безвоздушной перегонки каменного угля коксующихся сортов при 10000С. Кокс содержит 80-88% углерода, 8-12 % золы, 2-5% влаги, 0.5 – 1.8 % серы, 0,02 – 0,2 % фосфора и до 1-2% летучих компонентов. Кокс должен иметь размеры 25-60 мм и должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушался под действием шихтовых материалов.

4. Назначение огнеупоров. Допустимые сочетания огнеупоров с флюсами. Пример.

Огнеупоры применяются для защиты поверхностей металлургических печей и ковшей, контактирующих с расплавленным металлом, от высоких температур, нагрузок, и химических воздействий металла и шлака. Огнеупоры бывают основными, кислыми и нейтральными. Допускается сочетание только однотипных флюсов и огнеупоров (т.е. кислые с кислыми, основные с основными), в противном случае произойдет разрушение огнеупорного покрытия.

Так, например, применимо сочетание кислого флюса, содержащего кислотный оксид SiO2, и кислого огнеупора, например кварцевого песка, содержащего 95% SiO2.

5. Определение чугуна.

Чугун – сплав железа с углеродом с концентрацией углерода более 2.14%.

Передельный чугун [C] =4 – 4.25%

Литейный чугун [C] =2.75-3.25%.

6. Исходные материалы, применяемые для получения чугуна.

При выплавке чугуна применяются железные руды, топливо, флюсы.

Железная руда содержит железо в различных соединениях:

· Карбонатов и т.д., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов Si, Mg, Al, Ca и др.

При изготовлении чугуна применяется CaCO3 или доломитизированный известняк, содержащий CaCO3 и MgCO3, так как в шлаке нужно должно содержаться некоторое количество основных оксидов (CaO, MgO).

Топливом при производстве чугуна является кокс, обеспечивающий необходимую температуру для восстановления железа из оксидов.

7. Процесс агломерации.

Процесс агломерации заключается в следующем:

Шихту, состоящую из железной руды (40-50%), известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-15000С. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера и мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал – агломерат.

8. Сущность основного принципа работы доменной печи. Схема доменной печи с указанием температур.

Сущность основного принципа работы доменной печи заключается в противотоке. Нерасплавленная шихта спускается вниз доменной печи, проходя через ряд химических реакций. Расплавленный металл поднимается вверх и тем самым поддерживает условия для протекания реакций на всей высоте доменной печи. Тем самым упрощается сам процесс, так как отпадает необходимость в искусственном создании условий, необходимых для протекания каждой реакции, каждый химический процесс находит свой горизонт.

9. Реакция горения углерода кокса.

10. Уравнение восстановления железа в доменной печи.

3Fe2O3 + CO2 ® 3Fe3O4 + CO2 + Q3

Fe3O4 + CO ®3FeO + CO2 – Q4

FeO + CO ® Fe + CO2 + Q5

11. Продукты доменной печи.

· Чугун – основной продукт доменной печи

Литейный чугун – применяется на машиностроительных предприятиях для производства фасонных отливок.

Передельный чугун предназначен для переплавки в сталь в конвертерах или мартеновских печах.

· Доменные ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Применяются для раскаления и легирования сталей.

· Побочные продукты – шлак и доменный газ. Из шлака изготавливают цемент, шлаковату. Доменный газ применяют как топливо для подогрева воздуха, подаваемого в доменную печь.

12. Определение стали.

Похожие рефераты из раздела «Металлургия»

Источник

Исходные материалы для металлургического производства

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. В природе большинство металлов находятся в связанном виде, в виде химических соединений, которые входят в состав минералов, образующих руды или горные породы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне техники экономически выгодно и целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Руда состоит из минералов, содержащих металл (окислов и гидроокисей), силикатов, карбонатов, сернистых соединений), и пустой породы (окислов кремния, алюминия, кальция и магния). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д. Целесообразность извлечения металлов из руды определяется их содержанием в руде. Например, для железных руд – не менее 30-50 % Fe, для медных – не менее 3-5 % Cu, для молибденовых – не менее 0,005 – 0,02 % Mo.

В зависимости от концентрации добываемого металла, руды бывают богатыми, которые сразу используют в металлургическом производстве, и бедные, которые поступают в металлургическое производство после обогащения или удаления пустой породы. После обогащения получают концентрат или продукт с повышенным содержанием металла по сравнению с исходной рудой.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде оксидов Fe₃O₄, Fe₂O₃; гидроксидов Fe₂O₃ ·H₂O, карбонатов FeCO₃ и др., а также пустую породу, состоящую в основном из оксидов SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃O₄ (55 – 60 % Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55 – 60 % Fe), бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃·3H₂O и Fe₂O₃·H₂O (37 – 55 % Fe); шпатовые железняки, содержащие FeCO₃ (30–40 % Fe).

Кроме железной руды используют марганцевые руды для выплавки ферромарганца (10 – 82 % Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1 % Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов. Хромовые руды используют для выплавки феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов – хромомагнезитов. Комплексные руды, содержащие никель, ванадий, кобальт используют для выплавки легированного чугуна.

Топливо – это органические соединения, которые выделяют при сжигании тепло, необходимое для поддержания металлургического процесса. В металлургических печах топливом являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой каменного угля коксующихся сортов при температуре 1000 0 С (без доступа воздуха).Угольная масса при коксовании размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, затем она спекается в пористую массу. При выделении газов масса растрескивается и распадается на куски. Длительность коксования 14-16 часов. Затем кокс выталкивают из печи и сушат водой.

Важным показателем качества кокса является зольность и содержание серы, которые должны быть минимальны. Оптимальный размер кусков кокса – 25-60 мм. Кокс должен быть достаточно прочным, чтобы не разрушаться под действием массы шихтовых материалов в доменной печи.

Флюс – это материал, загружаемый в плавильную печь для образования легкоплавких соединений с пустой породой руды, концентрата, золой топлива. Эти соединения называют шлаком. Назначение флюса: 1 – удаление окислов пустой породы; 2 – удаление золы топлива; 3 – удаление вредных примесей (серы, фосфора).

Шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому в печи располагается над металлом и не перемешивается с ним. Назначение шлака – защита металла от печных газов воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе кислые окислы (SiO₂, Р₂О₅), и основным – если основные (CaО, MgO, FeO). При высоких температурах рабочего пространства печи шлаки могут взаимодействовать с футеровкой печи: основная футеровка с кислым шлаком и наоборот. Для предотвращения разрушения футеровки в печи с основной футеровкой вводят основные флюсы, с кислой – кислые. Выбор флюсов определяется также составом пустой породы руды. Если пустая порода представляет из себя песчано-глинистую, то в качестве флюса используют CaCO₃ или даломит. В случае известковой пустой породы в качестве флюса применяют кварцит и другие песчаные составы, главным образом, на основе SiO₂.

Изменяя состав шлака, можно менять соотношение примесей между металлом и шлаком, т.е. удалять нежелательные примеси (серу и фосфор) из этого шлак металла в шлак. Для этого убирают шлак с поверхности металла и добавляют новый нужного состава.

Огнеупорные материалыприменяют для внутренней облицовки (футеровки) печей и ковшей для разливки. Основное требование – выдерживать нагрузки при высоких температурах, а также резкие перепады температур, химическое воздействие шлаков и печных газов. Огнеупорность материала определяется в °С. Обычно в качестве футеровки используют кирпичи, а также порошки или растворы, предназначенные для заполнения швов между кирпичами в кладке. По химическим свойствам огнеупочные материалы подразделяются на кислые, основные и нейтральные.

Кислые (динасовые, кварцеглинистые) – на основе кремнезема SiO₂. Содержат не менее 90 % SiO₂ и имеют огнеупорность до 1700 0 С.

Основные (магнезитовые, магнезитохромитовые, доломитовые) –на основе основных окислов CaO, MgO.Магнезитовый кирпич содержит до 95 % MgO и его огнеупорность достигает 2000 – 2400 0 С. Доломитовый кирпич представляет собой горную породу, состоящую из MgCO₃ и CaCO₃, содержащий до 60 % CaCO₃. Его огнеупорность достигает 1800 – 1850 0 С.

Нейтральные (хромомагнезитовые, высокоглиноземные, шамотные) –на основе окислов Al₂O₃ и Cr₂O₃. Шамот представляет из себя наиболее широко применяемый в теплотехнике материал, который содержит SiO₂ и Al₂O. Теплостойкость его не высока, но он самый дешевый.

Все эти огнеупорные материалы используются для футеровки металлургических комбинатов в различных комбинациях, как правило, многослойных.

Источник

Технологии металлургического производства

1.1 Структура и продукция металлургического производства

Металлы и сплавы на их основе являются основными конструкционными материалами, основой современного машинои приборостроения. Объем производства черных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим показателем уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства [6].

Металлургия – наука об извлечении металлов из природных соединений (руд) и дальнейшей их переработке с целью придания металлу определенных свойств.

Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа и его сплавов, и цветную – производство всех остальных металлов и их сплавов.

Металлургическое производство – сложная система производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах.

Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха и кислорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки чугуна и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертерные, электроплавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки выплавленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный прокат.

Основная продукция черной металлургии: передельный (белый) чугун для переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отливок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т.п.

Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов для прокатки различных профилей; лигатуры – сплавы из цветных металлов для получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей.

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде составляет: железа не менее 30–60 %, меди 1–6 %, молибдена 0,005–0,02 %.

Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла.

Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защищает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂; Р₂О₅) и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO).

Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут, печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой перегонки при температуре 10000С (без доступа воздуха) каменного угля специальных коксующихся сортов.

Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По химическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные. Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO₂ (динасовые, кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные огнеупоры состоят из оксидов Al₂O₃; Cr₂O₃ (шамотный кирпич, высокоглиноземный, углеродистые блоки из графита).

При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наоборот, в печи с кислой футеровкой – основные флюсы, так как это приведет к разрушению футеровки печи.

1.2 Производство чугуна

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топлива и флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe₃O₄ (50–70% Fe); красный железняк Fe₂O₃ (50–60% Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа Fe₂O₃·H₂O (30–50% Fe); шпатовый железняк FeCO₃ (30–50% Fe).

Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить необходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды. В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO₃. Это необходимо для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса и руды.

Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.

Доменная печь (рисунок 1.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту [6].

При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (дутье), необходимый для горения топлива.

Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов. Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периодически воздухонагреватели переключаются.

Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает. В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO, CO₂, N₂, H₂, CH₄ и другие газы.

Горячие газы, поднимаясь навстречу опускающейся шихте, нагревают ее, охлаждаясь у колошника до температуры 300–4000С (в районе фурм температура достигает 20000С). При нагреве шихты до температуры 5700С начинается восстановление оксидов железа. По признаку убывания кислорода оксиды железа можно расположить в следующий ряд:

Восстановление оксидов до чистого железа идет по следующим реакциям:

Аналогично восстанавливаются марганец, кремний, фосфор, сера, содержащиеся в руде, топливе, флюсах, огнеупорах.

Часть серы благодаря основному флюсу переводится в шлак

FeS + CaO → CaS + FeO.

На уровне распара и заплечиков железо (точнее сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой) расплавляется и каплями, протекая по кускам кокса и насыщаясь углеродом, стекает на лещадь печи. Шлак, имея меньшую плотность, располагается сверху металла (всплывает).

Чугун выпускают через чугунную летку каждые 3–4 часа, а шлак через шлаковую летку (она расположена выше чугунной) каждые 1–1,5 часа.

Основной продукцией доменной плавки является чугун (передельный или литейный) разного химсостава (например, 4–4,5% С; 0,8–1,2% Si; 0,15–0,3% Р; 0,03–0,07% S), а также ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и др.).

Побочные продукты доменного процесса – шлак (дорожное строительство, шлаковата, цемент, шлакоблочные изделия и пр.) и доменный газ (топливо для воздухонагревателей, для отопления и т.п.).

Доменная печь – агрегат непрерывного действия. Она с момента ввода в эксплуатацию (задувки) работает непрерывно от 5–7 до 12-15 лет. В технической литературе описан случай, когда домна проработала непрерывно 38 лет.

При остановке печи на ремонт прекращают засыпку материалов. Оставшаяся шихта опускается вниз, верхняя часть печи, освобождаясь, сильно нагревается горячими газами. Для предохранения засыпных устройств от разрушения их необходимо интенсивно охлаждать.

Рисунок 1.1 – Устройство доменной печи: 1 – чугунная летка, 2 – горн, 3 – фурмы, 4 – заплечики, 5 – распар, 6 – шахта, 7 – колошник, 8 – засыпной аппарат, 9 – вагонетка подъемника, 10 – мост, 11 – лещадь, 12 – шлаковая летка, [6]

1.3 Производство стали

Сущность передела чугуна в сталь заключается в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными исходными материалами для производства стали служат передельный (белый) чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от чугуна значительно более низким содержанием углерода и примесей (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Химический состав чугуна и стали, %

Нагрев в процессе выплавки стали осуществляется двумя способами:

а) внешним теплом, вводимым в плавильное пространство печи (мартеновская, электропечь). Так можно перерабатывать жидкий и твердый чугун, а также скрап в любом количестве;

б) химическим теплом, получаемым от реакции окисления примесей в чугуне (конвертеры). В этом случае чугун должен быть жидким, а количество скрапа ограничено (не более 30% от массы загрузки агрегата).

Окислителем служат технически чистый кислород, продуваемый через жидкую массу чугуна, а также железная руда и окалина.

Процесс может быть основным (достаточно полно удаляются сера и фосфор, но трудно раскислить сталь непосредственно в печи) или кислым (сталь очень полно раскисляется, но сера и фосфор не удаляются). При использовании основного процесса раскисление возможно только в ковше.

При окислении примесей кислородом выделяется большое количество тепла, поэтому при продувке жидкого чугуна не только не нужно применять внешние источники нагрева, а наоборот приходится охлаждать агрегаты во избежание перегрева.

Основные реакции окисления примесей:

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + 330 кДж;

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + 226 кДж; FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака можно добиться того, что нежелательные примеси (например, вредные сера и фосфор) будут удаляться из металла в шлак. Например, сера, входящая в сталь в виде сульфида FeS, растворяется в основном шлаке:

FeS + CaO = CaS + FeO.

Таким образом, регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.

Завершающим этапом выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из оксида FeO). Раскисление осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) непосредственно в сталеплавильном агрегате (при использовании кислого процесса) и (или) в ковше при разливке (в любом процессе). Сталь выпускают спокойной или кипящей, иногда – полуспокойной. Готовую сталь разливают в изложницы. В настоящее время сталь выплавляется в мартеновских печах, конвертерах и электропечах.

Рисунок 1.2 – Сталеплавильные агрегаты:

а) мартеновская печь; б) кислородный конвертер; в) дуговая электрическая печь

Мартеновская печь (рисунок 1.2, а) – пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет плавильное пространство, ограниченное сверху сводом, снизу подом, с боков – стенками, имеющими загрузочные окна. Футеровка печи может быть кислой или основной. В нашей стране работают мартеновские печи вместимостью 200–900 тонн жидкой стали.

Отапливается печь газом (реже мазутом). Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах (их два – один нагревает смесь газа и воздуха, а второй – нагревается сам отходящими газами) и поджигается, образуя факел. Факел имеет температуру 1700–18000С и нагревает футеровку печи и шихту, а также способствует окислению примесей шихты при плавке.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке различают:

1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и твердого чушкового чугуна. Такой процесс применяют на заводах, где нет доменного производства (нет жидкого чугуна), но много металлолома (то есть на машиностроительных заводах);

2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (до 75%), скрапа и железной руды (для окисления примесей). Преимущественно он применяется на металлургических заводах.

Наибольшее количество стали производят в мартеновских печах с основной футеровкой скрап-рудным процессом.

Кислородный конвертер (рисунок 1.2, б) – это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130–350 тонн жидкого чугуна. Конвертер в процессе работы может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака. Шихта состоит из жидкого передельного чугуна,

стального лома (не более 30%), извести для наведения шлака, железной руды для окисления, боксита (Al₂O₃) и плавикового шпата (CaF₂) для разжижения шлака.

Сначала конвертер наклоняют для завалки шихты, затем поворачивают в вертикальное положение и, через охлаждаемую водой фурму, подают сверху кислородное дутье. Струя кислорода (под давлением 1–1,5 МПа) вызывает перемешивание шихты и ее интенсивное окисление.

Когда содержание углерода и примесей достигает заданного значения, подачу кислорода прекращают, конвертер наклоняют и выпускают сталь в разливочный ковш, где ее раскисляют. После этого сливают шлак.

Конвертирование стали самый производительный способ (плавка длится 25–50 мин), однако трудно получить сталь строго заданного состава.

Электросталь – самая лучшая по качеству, так как в электропечах можно получить высокую температуру металла, создать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу, вакуум, хорошо раскислить сталь. Поэтому электропечи используют для получения высококачественных легированных, инструментальных, специальных сталей и других сплавов. Из-за значительного расхода электроэнергии сталь получается более дорогой, чем при использовании других способов.

Плавильные печи бывают дуговыми (рисунок 1.2, в) и индукционными.

Дуговая электропечь питается трехфазным током и имеет три электрода из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой возникает электрическая дуга, теплота которой передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 150–600 В, сила тока 1000–10000 А. Футеровка печи – основная или кислая (реже).

В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:

а) без окисления примесей. По сути дела это переплав легированных отходов машиностроительных заводов. В ходе плавки удаляют вредные примеси, доводят металл до требуемого химсостава; раскисляют;

б) плавка на углеродистой шихте с окислением примесей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый чугун, известь. Электроды опускают и включают ток; шихта плавится. Кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо и примеси.

Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной шлак, способствующий удалению фосфора и серы. После доведения металла до нужного состава сливают шлак и подают раскислители и ферросплавы (для получения легированной стали).

1.4 Основы внепечной обработки металлических расплавов

Ограниченные возможности регулирования физических и физикохимических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах, повышение требований к качеству стали, а также необходимость разработки технологии и производства стали принципиально нового качества привели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали. Обеспечивая получение не только высокого, а в ряде случаев нового качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали начала особенно быстро развиваться в 60-70-х годах и стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства. Внепечная обработка стали — промежуточный передел между выплавкой стали и её разливкой — является относительно новым переделом и обязан своим развитием и успехами в первую очередь достижениям физической химии металлургических процессов и гидродинамики.

Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов, главным образом для повышения производительности дуговых сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш. Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), и получить сталь с принципиально новыми свойствами. Повышение качества стали привело к росту работоспособности машин и конструкций при уменьшении их массы. Другим важным фактором, обеспечившим этот результат, явилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов. Это позволило уменьшить коэффициент запаса прочности, учитываемый при проектировании, с обычных 1,5 – 3,0 до 1,2 – 1,4, то есть примерно в два раза при сохранении низкого качества стали, её однородности, низкого содержания включений.

Металлургические процессы, обеспечивающие получение указанных результатов, эффективнее протекают при внепечной обработке, чем в сталеплавильных печах благодаря ряду особенностей внеагрегатной обработки [1]:

а) создание наиболее благоприятных термодинамических условий для развития данного процесса, в частности наводка шлака, обеспечивающего наиболее глубокую десульфурацию; б) увеличение скорости взаимодействия с газовой фазой или шлаком вследствие дробления металла на порции (капли) с развитой контактной поверхностью; в) повышение интенсивности массопереноса в металле вследствие его дробления на порции (капли) и, следовательно, увеличение градиента концентраций растворённых в нём элементов.

Результаты внепечной обработки определяются принятыми методами и технологией, с помощью которых она осуществляется. Новые технологии обработки металла как в сталеплавильных печах, так и главным образом вне их, привели к заметному увеличению масштабов производства стали и сплавов, однородных по свойствам и содержащих ничтожно малое количество газов и неметаллических включений. Связанное с этим усложнение технологии оправдывается достигаемыми результатами в отношении качества и надёжности металлопродукции.

Методы внепечной обработки стали могут быть условно разделены на

простые (обработка одним способом) и комбинированные (обработка металла

несколькими способами одновременно). К простым методам относятся: 1) обработка металла вакуумом; 2) продувка инертным газом; 3) обработка металла синтетическим шлаком, жидкими и твёрдыми шлаковыми смесями; 4) введение реагентов в глубь металла [1].

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются: а) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации падения температуры металла при обработке в ковше; б) ограниченность воздействия на металл.

Рис. 1.3 Технологическая схема комплексной внепечной обработки металлов и сплавов

Лучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных или комплексных способов (рис. 1.3), когда в одном или нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществляется ряд операций.

Выбор необходимого оборудования определяется той или иной технологией обработки металла. Несмотря на многоплановость задач, возникающих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом приёмы немногочисленны: а) интенсификация процессов взаимодействия металла с жидким шлаком или твёрдыми шлакообразующими материалами путём организации интенсивного перемешивания; б) интенсификация процессов газовыделения путём обработки металла вакуумом или продувкой инертным газом; в) интенсификация процессов взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей оптимального состава, введение раскислителей в глубь металла в виде порошков, блоков, с помощью специальной проволоки, искусственное перемешивание с целью облегчения условий удаления продуктов раскисления и т. д.).

1.5 Современные сталеразливочные системы

Системы разливки стали и сплавов комплектуются современными шиберными затворами линейного и поворотного типа с кассетной конструкцией огнеупоров. Применение композитных материалов существенно повышает стойкость огнеупорного комплекта и сокращает время обслуживания. Исключение вторичного окисления предполагает применение различных конструкций устройств защиты, обеспечивающих наилучшее показатели даже без применения защитной трубы [2,3].

Под сталеразливочными системами следует принимать комплекс исполнительных и вспомогательных устройств, осуществляющих автоматическое дозирование расплавленного металла из технологических емкостей (ковши, печи, конвертеры и др.) и обеспечивающих для выполнения данной функциональной цели постоянный и плотный контакт рабочих поверхностей огнеупорных элементов, их самоустановку, своевременную замену расходуемых огнеупорных частей.

Рис. 1.4 Огнеупорный комплект шиберного затвора: 1 – гнездовой блок, 2 – ковшевой стакан, 3 – шиберные плиты в обечайке, 4 – стакан-коллектор в обечайке, 5 – уплотнительная вставка, 6 – защитная труба

Наиболее ответственными расходными комплектующими сталеразливочных систем являются огнеупорные элементы (рис. 1.4), имеющие различную эксплуатационную стойкость в зависимости от физико-химического состава.

Анализ эволюции развития сталеразливочных систем, позволяет сформулировать требования к шиберным затворам нового поколения:

– многоточечный пружинный механизм равномерного прижатия огнеупорных плит,

– увеличенная долговечность узлов и деталей системы,

– наличие системы фиксации огнеупорных плит,

– минимизация человеческого фактора при эксплуатации системы,

– быстрота и удобство замены огнеупоров.

Применение современных технических решений даёт возможность обеспечить достаточную равномерность приложения прижимного усилия на огнеупорные плиты, обеспечить их самоустановку, компенсировать циклические температурные расширения и износ огнеупорных и металлических деталей затвора, снизить требования к точности изготовления деталей и узлов.

Определено, что требованиям, предъявляемым к шиберным системам последнего поколения соответствуют целый ряд современных моделей зарубежных производителей «Меtacon AG», «Vesuvius», «FloCon», «Interstop»,

«Knoellinger», «Uberzetta», «Sanac» и российского предприятия ООО НПП

«Вулкан ТМ», представленные на рис.1.5 [7,9]. На Украине совместную разработку устройств для дозированного перелива жидкого металла в условиях сталеплавильного производства ведут Донецкий национальный технический университет (ДонНТУ) и НПО «ДОНИКС» [2].

» >

» >

Кассетный затвор с независимыми ползунами Vesuvius (Бельгия)

Кассетный затвор балансирного типа НПО

НПП «Вулкан-ТМ» (Россия)» >

Кассетный затвор системы LS, Interstop (Швейцария)

Кассетный затвор серии «ВТ», рычажно – балансирный вариант,

НПП «Вулкан-ТМ» (Россия)

Рис. 1.5 Модели шиберных затворов, соответствующих современным требованиям

С целью оптимизации затрат разработан типоразмерный ряд унифицированных двухплитных шиберных затворов серии ВТ и комплектов огнеупорных

изделий в металлических обечайках и бандажах, осуществляется серийная поставка более чем на 20 предприятий РФ и СНГ (Приложение 1).

Таблица 1 – Технические характеристики шиберных затворов серии ВТ

Источник

• визитки установка дверей шаблоны →