Технологічні процеси одержання чорних і кольорових металів (стр. 2 из 4)
2.Коефіцієнт використання корисного об'єму доменної печі, що визначається відношенням корисного об'єму печі до середньої виплавки чавуну за добу:
KBКО =
,де V-корисний об'єм печі;
Р-продуктивність печі за добу.
Чим менший цей показник, тим краще працює доменна піч. Середнє значення цього коефіцієнта в Україні 0,5-0,8.
3. Витратні коефіцієнти. На 1 т чавуну потрібно: 1,7-2 т руди, 500-700 кг коксу, 300-700 кг флюсів, 3,3 т повітря.
4. Рівень механізації й автоматизації-дуже важливий аспект на всіх етапах виробництва й особливо при завантаженні шихти, при автоматизованому регулюванні тиску, температури, вологості газу на колошнику.
Крім того, важливими показниками процесу є якість і собівартість чавуну
2. Одержання сталі
Сталь - сплав заліза з вуглецем, кремнієм, марганцем, сіркою і фосфором, де вуглецю менше 2,14%. Сталі такого складу називають вуглецевими. Є також леговані сталі. До складу таких сталей входять легуючі елементи (Cr, Mo, V, W, Niта ін.), котрі додають під час виплавки сталі або її розливання. Леговані сталі мають спеціальні властивсті.
Порівняно з чавуном механічні й технологічні властивості сталі кращі: її можна обробляти під тиском, з неї можна виготовляти відливки, вона добре обробляється різанням, має високу міцність, а тому є основним конструкційним матеріалом.
Щоб із чавуну одержати сталь, з нього потрібно видалити надлишок вуглецю, кремнію, марганцю, сірки і фосфору шляхом окислення. Окислювачем є кисень елементарний і кисень, розчинений у металі, що перебуває в сполуці із залізом.
Сировиною для одержання сталі є: переробний (рідкий або твердий) чавун, скрап (стальний або чавунний лом, обрізки, стружка), металізовані грудки, залізна руда, розкислювачі, легуючі елементи, флюси, паливо, кисень. Процентне співвідношення вихідних матеріалів і їх агрегатний стан залежать від способу переробки.
Основними способами одержання сталі є мартенівський, киснево-конвертерний та електрометалургійний (в електодугових та індукційних печах). Кожний із цих способів має свої особливості та забезпечує різну якість сталі. Водночас технології одержання сталі мають спільні процеси і перетворення, що дає змогу розглядати їх, на основі цих спільних позицій.
При одержанні сталі застосовують один із двох процесів -основний або кислий. При основному печі футерують основним вогнетривким матеріалом (магнезит, доломіт, магнезитохроміт), а сировина може містити підвищену кількість шкідливих домішок, тому що для їх виведення використовують флюси. Основний процес дешевший, але якість сталі невисока. При кислому процесі печі футерують кислим (динас, кварцовий пісок) або шамотним вогнетривом. У такому процесі є підвищені вимоги до сировини щодо шкідливих домішок, тому що тут вони не виводяться. Якість сталі висока, але висока і собівартість. Такі процеси використовують менше.
Основні стадії технологічного процесу такі:
1.Окислення вуглецю і домішок. Найпершим окислюється залізо (його в розплаві найбільше, і воно найактивніше щодо кисню при порівняно низьких температурах):
2Fe+ 02 → 2FeO+ Q.
Далі окислюються інші елементи в послідовності щодо їх сполучуваності з киснем:
Si+ 02 → Si02 + Q,
2Мn+ 02 → 2MnO+ Q,
2С+02→2СО- Q,
2СО+02→2С02+ Q,
4Р+502→2Р205+ Q.
Оксиди, що утворилися, спливають на поверхню у вигляді шлаку. Під шаром шлаку продовжується окислення домішок, але уже киснем із закису заліза:
2FeO+Si→2Fe+Si02+Q,
FeO+Mn→Fe+MnO+Q.
Одночосно за допомогою флюсів виводиться фосфор і сірка.
2. Розкислення сталі - це виведення з неї кисню і відновлення заліза з оксиду. Оксид заліза спричинює червоноламкість і погіршення механічних властивостей сталі. Розкислюють сталь при плавці, під час розливання, і в ковші. Залежно від ступеня розкислення вона може бути спокійною (добре розкисленою), напівспокійною і киплячою. Для розкислення сталі використовують феросплави зі збільшеним вмістом марганцю або кремнію та алюміній.
3. Легування-процес насичення сталі легуючими елементами з метою поліпшення її властивостей. Легуючі елементи додають у вигляді феросплавів або під час плавки, або в кінці, або у ківш. Це залежить від того, яким способом одержують сталь, яке відношення легуючих елементів до кисню.
Після виплавлення проводять розливання сталі. Похибка при розливанні замість поліпшення якості сталі може зіпсувати і добре зварену сталь. Тому проведенню цього процесу приділяють велику увагу.
Зі сталеплавильної печі сталь розливають у розливні ковші (металеві посудини, футеровані всередині вогнетривом). Далі сталь у ковші переносять до місця її розливання і розливають. Ковші мають місткість до400т. Із ковша сталь виливається через отвір у днищі. Сталь розливають у виливниці та на машинах безперервного розливання.
Розливання у виливниці
Виливниці-це чавунні або стальні форми, що мають квадратний, прямокутний або круглий поперечний переріз. їх заповнюють сталлю зверху або знизу. При заповненні зверху кожна виливниця заповнюється окремо. При цьому сталь розбризкується і поверхня виливка неякісна. Такий спосіб вигідний при виготовленні великих виливків. При заповненні знизу виливниці з'єднані блоком до центрального ливника спеціальними каналами. Сталь потрапляє спочатку в центральний ливник, а далі каналами підводиться до виливниць (усіх одночасно) знизу (плавно і без розбризкування). Одночасно можливо заповнювати до60виливниць. Цей спосіб високопродуктивний зливки мають відносно чисту поверхню. Він дає змогу одержувати дрібні виливки. Однак має недоліки-великі втрати металу на ливники і небезпека забруднення сталі в ливнику та каналах неметалевими домішками.
Безперервне розливання
Процес відбувається на спеціальних машинах безперервного лиття, що є нині одним із важливих досягнень науково-технічного прогресу в металургії. Сталь із розливного ковша1(рис.2)через проміжний розливний пристрій2 безперервно надходить у кристалізатор3,який охолоджується водою. У кристалізаторі формується виливок. Із кристалізатора виливок проходить зону додаткового охолодження (дрібно розбризкується вода). Затверділий виливок безперервно витягується роликами 4, дістаючи профіль. Далі газовий різак 5 розрізає його на куски потрібної довжини. Відрізані куски є заготовками для подальшої обробки.
Техніко-економічні показники такі: висока продуктивність при безперервному розливанні (у 2-2,5 рази вища, ніж при розливанні у виливниці), виливки мають високу якість поверхні, дрібнозернисту структуру, певний профіль (економія прокату становить 2-5%). Маса придатних виливків 96-98%від маси рідкої сталі. На таких машинах можна одночасно отримувати до восьми виливків. Недоліком цих машин є їх значна висота (до44м). Тому останнім часом застосовують машини з вигином виливка або із зігнутим (радіальним) кристалізатором-це радіальні і горизонтальні машини.
Техніко-економічне порівняння різних способів одержання сталі
Із використовуваних трьох способів одержання сталі найперспективнішими єдва способи-киснево-конвертерний та електрометалургійний. В окремих розвинених країнах світу вже сьогодні до90%сталі виплавляють киснево-конвертерним способом. Причини цього такі: висока продуктивність (у 250-тонному конвертері за рік можна виплавити до1200тис. т сталі); висока якість сталі; низька собівартість; капітальні витрати на будівництво і витрати на обслуговування значно менші від інших способів; для плавки можна використовувати до30%твердої шихти. Якість киснево-конвертерної сталі не поступається якості мартенівської. Перспективним є використання кисневих конвертерів з донним дуттям, при якому зменшується вигоряння заліза та різко підвищиться якість сталі, є можливість збільшити вміст у шихті скрапу.
Рис.2.Схема безперервного розливання сталі
Електрометалургійний спосіб хоч і дорогий, проте забезпечує дуже високу якість сталі. Електрометалургійним способом не тільки виплавляють, а й переплавляють сталь, виплавлену в мартенівських печах або в кисневих конвертерах. При цьому вона очищається від домішок і набуває дуже високої якості. При електрометалургійному способі можна одержувати сталь із твердої та рідкої шихти. Процес високопродуктивний.
Мартенівський спосіб має тенденцію до скорочення. Процес виплавки в мартенівській печі триває іноді3-4години (для малих печей), іноді до12і більше годин (для великих печей). Капітальні витрати на будівництво і витрати на обслуговування є значними, тому мартенівська сталь дорога. Нижчою є продуктивність. Наприклад, продуктивність 900-тонної печі становить близько 1000тис. т на рік, що менше, ніж у кисневому конвертері.
З метою покращення якості сталі, її після виплавки звичайними способами рафінують. Для цього застосовують: переплав (плазмовий, електрошлаковий, вакуумно-індукційний, вакуумно-дуговий), позапічне вакуумування, обробку синтетичними шлаками, інертними газами.
Електрошлаковий переплав
Цей спосіб рафінування сталі було розроблено у Науково-дослідному інституті електрозварюванняАН України ім. Є. О. Патона. За допомогою цього способу рафінують сталі, виплавлені конвертерним, мартенівським і електрометалургійним способами. В електродотримачі закріплюють стальний електрод1(рис.3), частково опущений в охолоджуваний водою кристалізатор2.На дно кристалізатора насипають флюс (плавиковий шпат, глинозем, оксид кальцію). При включенні електричного струму між електродом і флюсами запалюється електрична дуга, флюси плавляться. Далідуга гасне і струм проходить через розплавлений шлак. Температура сягає до 2000°С. Електрод1плавиться, і краплі сталі, проходячи через розплавлений шлак, очищаються від домішок. У кристалізаторі очищена сталь кристалізується, утворюючи виливок З круглої, квадратної чи іншої форми. Можна одержати виливок у вигляді труби.