ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Волжская государственная академия водного транспорта»
САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ
Контрольная работа по дисциплине: «Материаловедение» на тему: «Бессемеровский процесс»
Работу выполнил
Студент 3 курса
Специальности:
«Эксплуатация судовых энергетических установок»
Семенов С.М. СМ-10-1837
Проверил: ст. пр. Новосельцев М.Н.
Самара
2013
Содержание
Введение;
Бессемеровский процесс;
Заключение;
Список литературы.
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. Рассмотрим по подробней один из основных применяемых теперь способов получения стали: Конверторный способ.
Бессемеровский процесс
В 1856 г. англичанин Бессемер взял патент на получение стали из чугуна посредством продувания воздуха через расплавленный чугун.
Сущность бессемеровского процесса заключается в том, что струя воздуха, которой продувают через расплавленный чугун, окисляет входящие в него примеси. Происходящие при бессемеровании чугуна окислительные реакции сопровождаются выделением столь значительного количества тепла, что чугун не только не охлаждается, но его температура поднимается выше температуры плавления стали, и последняя получается в жидком состоянии. Наибольшее количество тепла выделяется при окислении кремния; поэтому чугун для бессемерования должен содержать достаточное количество кремния (больше 1%).
Бессемеровский конвертер — аппарат для получения стали бессемеровским процессом — представляет собой вращающийся сосуд грушевидной формы (фиг. 15.)
Кожух конвертера сделан из железа толщиной от 10 до 30 мм, а внутренняя полость выложена динасовым кирпичом, содержащим 93—97% Si0.2. Толщина огнеупорной футеровки около 300 мм. Воздух вдувают через отверстия 1, сделанные в днище конвертера; снизу воздушные отверстия входят в коробку. Газообразные продукты процесса удаляют через горловину конвертера 2; через нее же вливают в конвертер чугун и выливают готовый продукт.
Полезная емкость конвертера достигает 50 т. Внутренний диаметр конвертера d подсчитывают по формуле,
где Т — полезная емкость конвертера в т.
Высоту рабочего пространства (от днища до центра горловины) берут от 1,75 до 2d. Число отверстий в днище достигает 300; диаметр отверстий 10—20 мм.
Количество воздуха, продуваемого через конвертер, составляет от 300 до 360 м3 на 1 т залитого в конвертер чугуна; давление дутья в бессемеровских конвертерах составляет обычно 2—2,5 am.
В сутки на конвертере средней емкости можно провести до 40 плавок.
На фиг. 16 показано положение бессемеровского конвертера при наполнении чугуном.
Перед продувкой конвертер приводят в положение, показанное на фиг. 16, и наполняют чугуном при температуре около 1300°. Слой металла не рекомендуют делать глубже 0,5 м.
Воздух начинают продувать, когда конвертер находится в наклонном положении; таким образом, непосредственно после пуска воздух только скользит над чугуном и вдувается лишь для предохранения воздушных каналов от закупоривания жидким чугуном. Затем конвертер приводят в рабочее положение, показанное на фиг. 15, и воздух начинает проходить через всю толщину залитого в конвертер чугуна.
В первый период применения бессемеровского процесса получаемый по этому способу продукт не всегда бывал хорошего качества.
Причиной этого было то обстоятельство, что процесс не основывался на химическом анализе и проводился без достаточно научных оснований.
Спустя некоторое время было замечено, что лучшие результаты получаются при переработке чугунов серых, т. е. содержащих много кремния.
Кроме того, в первый период применения бессемеровского способа опыт показал, что исключительно хороший продукт получается при плавке шведских чугунов, содержащих весьма мало серы и фосфора.
Наконец, было установлено, что на качество продукта в сильной степени и в положительную сторону влияет присадка в конце плавки чугуна, содержащего много марганца.
Таким образом, постепенно накопился опыт, в результате которого обеспечивалась возможность получения путем бессемерования вполне доброкачественного продукта.
Процесс переработки чугуна в бессемеровском конвертере распадается на три периода.
Первый период — период искр.
Искры появляются вследствие механического действия дутья на расплавленный чугун, капли которого увлекаются дутьем, одновременно окисляясь с поверхности. Углерод, вступая в реакцию с кислородом, сгорает, превращаясь в углекислый газ, и при этом взрывает каплю чугуна.
В этот период в конвертере проходят следующие реакции:
1) горение железа по уравнению:
и растворение закиси железа в жидком металле;
2) выгорание кремния; кремний сгорает под действием кислорода воздуха, раскисляя железо; продукты окисления кремния не растворяются в металле и уходят в шлак; в этот период протекают следующие реакции:
3) выгорание марганца; марганец сгорает, образуя закись марганца, уходящую в шлак; протекают следующие реакции:
Все указанные выше реакции протекают с выделением тепла, вследствие чего в этот период плавки температура непрерывно повышается. Продолжительность первого периода 3—4 мин.
Второй период — период яркого пламени. В реакцию начинает вступать углерод. Углерод сгорает, образуя окись углерода и углекислый газ. Эти реакции выражаются уравнениями:
продолжается также реакция:
поэтому возникает взаимодействие углерода с закисью железа по реакции с поглощением тепла:
Горение углерода сопровождается вырывающимся из горловины конвертера пламенем.
К концу выгорания углерода температура металла достигает 1600—1650°. Продолжительность второго периода 9— 16 мин.
Третий период. С уменьшением в составе чугуна углерода в результате усилившегося горения железа появляется бурый дым, представляющий собой пары окислов железа. Наличие бурого дыма показывает, что входящие в состав чугуна примеси почти исчезли и что кислород проходящего через конвертер воздуха соединяется с железом. Третий период самый короткий — продолжается около 1 мин. и может возникать лишь при продувке на очень мягкие марки стали.
Об изменении состава чугуна во время хода процесса можно судить на основании анализа проб, взятых из конвертера через определенные промежутки времени, но это сопряжено с повалкой конвертера и производится иногда лишь в исследовательских целях.
В случае нормального хода процесса и при определенном составе перерабатываемого чугуна об окончании процесса можно судить по времени продувки и по внешним признакам, например, по характеру пламени и дыма, выходящих из конвертера.
Характерен цвет шлака. При достаточном обезуглероживании стали (до 0,1% С) шлак бессемеровского процесса имеет бурую поверхность и оливковозеленый излом; желтая поверхность шлака, а в изломе светлозеленая, говорит о том, что металл еще недостаточно обезуглерожен.
О ходе процесса можно также судить наблюдая через спектроскоп характер пламени, вырывающегося из конвертера; по линиям спектра можно определить момент надлежащего обезуглероживания металла. В последнее время для контроля степени обезуглероживания по ходу процесса продувки применяют приборы, основанные на принципе фотоэлемента.
Чем больше нужно оставить в стали углерода, тем раньше прерывается второй период.
Продолжительность хорошо организованного процесса продувки составляет около 10—15-мин.
Сталь после продувки содержит некоторое количество закиси железа. Присутствие закиси железа влияет на механические качества стали отрицательно: сталь делается красноломкой, т. е. плохо обрабатывается в горячем состоянии.
Для удаления из раствора стали закиси железа к продутому металлу добавляют некоторое количество специального чугуна, содержащего значительное количество марганца (ферромарганец), а иногда, кроме этого, специальный сплав, с высоким содержанием кремния (ферросилиций). Эта операция называется раскислением.
Прибавление к расплавленной стали феромарганца вызывает реакцию:
Полученная в результате этой реакции слабо растворимая в металле закись марганца переходит в шлак.
Тот же результат дает и прибавление ферросилиция:
Образовавшаяся кремнекислота SiO2 переходит в шлак. Подобный же результат может дать и присадка алюминия:
Образовавшийся глинозем Аl2O3 переходит в шлак.
Чем лучше раскислен металл, тем выше его механические качества.
На фиг. 17 дан пример изменения состава металла во время бессемерования; первоначальный состав чугуна—3,5% С, 1,60%Si, 0,5%Мn и 93,75% Fe, а в конце третьего периода— 0,3% С, 0,1%Si, менее 0,1%Мn, 99,5% Fe.
Расплавленная сталь способна поглощать газы. Наличие растворенных в металле газов СО, N2 и Н2 влияет отрицательно на механические качества металла.
Присадкой алюминия и кремния можно достигнуть получения совершенно беспузыристой стали. Хорошим раскислителем стали является титан, вводимый в сталь в виде сильно углеродистого ферротитана, содержащего около 15% титана. Металл, раскисленный титаном, обладает высокими механическими качествами.
Марганцевая присадка, кроме действия ее в качестве раскислителя, способствует также удалению серы. Происходящая при этом реакция выражается уравнением:
Как было указано выше, MnS почти не растворяется в жидком металле и уходит в шлак.
Угар металла в процессе бессемерования достигает 7—12%.
Для получения нужного количества углерода в продукте процесс либо прекращается именно в тот момент, когда это количество получается в ванне вследствие выгорания углерода, либо обезуглероживание чугуна доводят до конца, а затем для получения нужного количества углерода в конвертер вводят соответствующее количество чугуна, и таким образом получают нужное содержание углерода в металле.
Последний способ сложнее, но зато надежнее, так как при быстром ходе процесса бессемерования трудно уловить надлежащий момент прекращения процесса.
В связи с особенностями химического состава перерабатываемого чугуна, температуры его заливки в конвертер и других условий исторически сложились различные типы процесса, известные под названием русского, шведского, английского, американского и немецкого.
Русский способ был впервые применен Д. К. Черновым и К. П. Поленовым. Этот способ дает возможность перерабатывать в сталь бессемеровским процессом малокремнистые чугуны. Сущность способа заключается в том, что недостаток кремния, являющегося горючим в ходе процесса, восполняется высоким перегревом чугуна перед заливкой его в конвертер.
Д. К. Чернов перегревал чугуны в вагранке, К. П. Поленов — в отражательной печи.
При бессемеровании фосфор не удаляется из чугуна, так как при наличии в бессемеровском шлаке свободного кремнезема SiO, пятиокись фосфора Р2O5 не удержится в шлаке, так как фосфор, восстанавливаемый углеродом, кремнием, марганцем или железом, перейдет снова в металл.
Малое бессемерование. Особую разновидность конвертерного способа производства стали составляет так называемое малое бессемерование. Отличительной особенностью этого процесса является способ подвода дутья—не снизу, как в бессемеровских и томасовских конвертерах, а сбоку, на уровне поверхности раздела металл—шлак. При таком способе подвода дутья в полости конвертера над металлом имеется неиспользованный кислород, вследствие чего выделяющаяся из ванны СО сжигается в конвертере в С02 с выделением большого количества тепла. Поэтому при боковом дутье получается металл со значительно более высокой температурой, чем в конвертерах с нижним дутьем. Такой горячий металл особенно пригоден для производства стального фасонного литья; поэтому конвертеры с боковым дутьем получили применение главным образом в сталелитейных цехах машиностроительных заводов. По условиям производства в литейных цехах такие конвертеры строят обычно для переработки малых садок металла — от 0,5 до 3 т, откуда и название «малое бессемерование».
Применение кислородного дутья при конвертерном способе. Конвертерный способ дает сталь, содержащую значительное количество растворенных газов; наличие в конвертерной стали азота и водорода (до 0,03%) повышает жесткость ее и уменьшает динамическую прочность.
Для получения стали кислым конвертерным способом необходимо иметь руды, которые давали бы чугун с содержанием фосфора не больше 0,05%. Наоборот, при основном способе, где горение фосфора является главным источником тепла, его содержание в чугуне не должно быть ниже 1,6%.
Поэтому, несмотря на то, что конвертерный способ требует по сравнению с мартеновским меньших капитальных затрат (приблизительно в 2,5 раза) и идет с меньшими затратами топлива (на весь цикл от руды до готовой стали), его применение сравнительно ограниченно.
Для расширения применения конвертерного способа необходимо:
1) найти способ переработки чугунов, содержащих фосфор в количествах, больших, чем допускается при кислом процессе, и меньших, чем требуется при основном;
2) понизить содержание газов в конвертерной стали.
Это, как показывает опыт, достигается обогащением подаваемого в конвертеры воздуха кислородом. Применение кислородного дутья, уменьшая общее содержание в газах азота и водорода, снижает содержание этих газов в конвертерной стали и, таким образом, повышает ее механические качества. Вследствие того что при кислородном дутье уменьшается общее количество газов, уменьшаются и потери тепла, уносимого газами (при обычном дутье эти потери достигают 25%). Это дает возможность перерабатывать томасовским способом чугун с содержанием фосфора, меньшим 1,6%. Однако при низких концентрациях P2O5 шлак утрачивает свою кондиционность.
Применение дутья, обогащенного кислородом, сокращая время продувки, повышает производительность конвертеров.