15. 21. Основы развития технологий в черной металлургии.

Развитие систем технологических процессов происходит путем выделения и специализации новых технологий и последующей их интеграции в более развитую и совершенную систему. Базовая технология тесно переплетена и сопряжена со смежными производствами, профессиональным опытом работников, с условиями потребления, человеческими интересами и т.п. Широкое внедрение технологических нововведений носит название "диффузии" технологий. Важным фактором является компьютеризация.

Длительная эволюция технологии — это неравномерный процесс. Один из путей эволюции состоит в со­вмещении двух или более известных технологий.

"созидательного симбиоза"

М

Окисление (горение) топлива. Восстановление

Fe, Mn, Si, S, Р

Науглероживание железа

Исходные материалы: железные и марганце­вые

руды; топливо — кокс, флюс (известняк)

еталлургия — отрасль промышленности — система тех­нологических процессов, направленных на производство ме­таллов из их природных соединений (руд) и дальнейшую обработку этих металлов для придания им определенного вида и свойств. К металлургии черных металлов относятся предприятия, производящие чугун и сталь. Сталь и чугун — это сплавы на основе железа с углеродом, причем в сталях углерода может содержаться не более 2%, а в чугунах — от 2% и выше (до 6,67%). Кроме углерода и в сталях, и в чугунах присутству­ют так называемые неизбежные примеси (марганец, крем­ний, сера, фосфор), по-разному влияющие на их свойства. Сера и фосфор ухудшают свойства этих сплавов, а потому называются вредными; марганец и кремний являются полезными примесями. Традиционным процессом производства чу­гуна является доменный процесс, суть которого состоит в восстановлении железа из руд и его науглероживании.

Чугун, доменный газ, доменный шлак

К технико-экономическим показателям данной технологической системы относятся:

коэффициент использования полезного объема доменной печи: КИПО

где V_пол — полезный объем доменной печи,м³;

Q_Cyт— производительность печи, т.

Полезный объем доменной печи — объем занятый исходными материалами (шихтой) и продуктами плавки.

Коэффициент расхода кокса:

где А — количество кокса, расходуемое для выплавки Т (тонн) чугуна.

Чем ниже эти показатели, тем более эффективно протекает доменный процесс. Для повышения производительности технологического процесса и снижения себестоимости чугуна необходимо:

1) усовершенствовать процесс подготовки исходных мате­риалов к плавке (вместо руды применить агломерат и окаты­ши, содержащие повышенный процент железа, пониженное количество вредных примесей и обладающих хорошей восста­новительной способностью);

2) усовершенствовать технологический процесс плавки (произвести частичную замену кокса природным газом, повы­сить температуру и давление вдуваемого в печь воздуха);

3) увеличить полезный объем доменной печи.

До­менные чугуны подразделяются на:

- передельные чугуны, идущие на переработку в сталь;

- литейные чугуны — полуфабрикат для производства ма­шиностроительных чугунов;

- ферросплавы — двойные сплавы железа с кремнием и марганцем, используемые для раскисления стали и других нужд металлургии.

Машиностроительные чугуны — чугуны, содержащие уг­лерод в виде графита. В зависимости от формы графитовых включений меняются и прочностные свойства чугуна. Чугуны классифицируются и маркируются по механическим свойствам на следующие группы:

1) Ковкий чугун, получаемый путем длительного сту­пенчатого отжига белого чугуна и содержащий углерод в виде графита хлопьевидной формы. Эти чугуны обладают более высокой пластичностью. Обрабатывать чугун давлением нельзя. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ (ковкий чугун). Пер­вое число в марке показывает предел прочности чугуна на растяжения, второе — относительное удлинение, например, КЧ40-10;

2) Серый чугун — широко распространенный деше­вый конструкционный материал, обладающий оптимальными свойствами, содержит графит в форме игл или пластин, на­пример СУ21-40. Первое число означает предел прочности чугуна на растяжение, второе — предел прочности чугуна на изгиб;

3) Высокопрочный чугун обладает повышенной проч­ностью и имеет графит округлой (глобулярной) формы. Мар­кировка: ВЧ 60-2. Первое число — предел прочности чугуна на растяжение, второе — относительное удлинение.

По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную. В зависимости от содержания углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3% угле­рода), среднеуглеродистые (0,3 — 0,6%С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6%С). Низкоуглеродистые применяются в качестве конструкционных сталей, высокоуглеродистые — инструментальных.

Легированные стали содержат еще такие элементы, как хром, никель, титан, молибден и др. для придания им особых свойств (жаропрочности, кислотоупорности и т. д.).

Качество стали определяется содержанием в ней вредных примесей серы (S) и фосфора (Р), снижающих ее механические свойства. Классифицируются стали по качеству, составу и назначению. Углеродистые конструкционные стали маркируются буква­ми "Ст", затем следует цифра, показывающая содержание углерода С в сотых долях процента, например, Ст 45 (0,45% С). Инструментальные стали маркируются буквой "У". Цифра в марке показывает содержание углерода в десятых долях процента, например, У13 (1,3% С). В легированных сталях легирующий элемент обозначают буквой русского ал­фавита; его процентное содержание в стали — цифрой, например XI8H9T (18% Сг; 9% Ni; 1 — 1,5% Ti).

В современной металлургии сталь выплавляют в кисло­родных конвертерах, мартеновских печах и электрических печах (электродуговых и индукционных).

Для повышения качества стали применяют дополнительную внепечную ее обработку — рафинирование, вакуумирование, обработку синтетическим флюсом, электрошлаковый переплав и т.п.

Метод, выплавляемый в кислородных конвейерах более экономичен, качественен и производительнее. Однако более совершенным ме­тодом производства стали является ее выплавка в электропечах, позволяющих повышать температуру до 6000 °С. Это дает воз­можность получать стали с максимальным удалением вредных примесей (серы и фосфора) и с большим содержанием тугоплав­ких легирующих элементов. Недостаток метода — большая энер­гоемкость процесса, что повышает себестоимость стали. Мартеновский способ выплавки стали отличается низкой производительностью, большими капитальными затратами, высокой себестоимостью стали.

К новым технологическим процессам в черной металлур­гии относятся: технологический процесс получения синтети­ческого чугуна в индукционных печах и бескоксовый, бездо­менный процесс прямого восстановления железа.

Новый технологический процесс получения синтетическо­го чугуна в индукционных печах основан на использовании отходов, образующихся на машиностроительных заводах. Метод качественен, высокопроизводственный и снижает себестоимость.

Среди принципиально новых методов, позволяющих получать конструкционные материалы, в частности сталь несравненно более высокого качества, с большой надежностью и долговечностью, являются специальные методы рафинирования расплава. Это — электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), плазменно-дуговой (ПДП) и электронно-лучевой переплав (ЭЛП), вакуумная индукционная плавка и плазменная плавка. Общая особенность процессов специальной электрометаллургии состоит в том, что создаются благоприятные условия для рафинирования жид­кой стали с использованием расплавленного токопроизводящего шлака (при ЭШП), вакуума (при ВДП, ВИП и ЭЛП), инертной атмосферы (при ПДП) и перегрева жидкой стали в любом процессе.

Экономическая эффективность работы конвертера:

,

где П — годовая производительность конвертера, т в год;

Т— масса металлической шихты, т;

1440 — число минут в сутках

a — выход годных слитков, т;

n — длительность плавки, мин.;

t — число рабочих суток в году;

Основным показателем, характеризующим производительность мартеновской печи, является съем стали с одного квад­ратного метра площади пода печи в сутки С (т/м²):

где P — суточная производительность, т;

S — площадь пода печи, м².

Производительность электропечей определяется по формуле: ,

где П — годовая производительность печи, т;

n — число рабо­чих суток в году;

Т — продолжительность плавки, ч;

b — масса металлической шихты на одну плавку, т;

а — выход год­ных слитков из металла шихты, %.

Себестоимость электростали определяется расходом ме­таллической шихты на одну тонну годных слитков и стоимос­тью передела. Она включает также расход электроэнергии, электродов, огнеупоров, изложниц и зарплату персонала.