26

Лекция № 5 (2 часа)

ОБЩИЕ ОСНОВЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Класификація сталей.

2. Шихта та шлаки.

3. Основні реакції та процеси сталеплавильного виробництва.

4. Розкислення та легування.

3. ЛИТЕРАТУРА

Необходимая и достаточная

1. Общая металлургия /В.Г. Воскобойников. – М. Металлургия, 1973. –463с.

2. Металлургия чугуна /Е.Ф. Вегман. – М. Металлургия, 1978. – 480с.

3. В.П. Мовчан, М.М. Бережний. Основи металургії. - Дніпропетровськ.: Пороги, 2001.-334с

2. ВВЕДЕНИЕ

Чугун из-за большого количества содержащегося в нем углерода обладает низкими механическими свойствами. В связи с этим чугун частично употребляется для получения отливок, а в основном переделывается в сталь.

Сталь отличается от чугуна тем, что в ней содержится значительно меньше уг лерода (до 2%). Значит, чтобы получить сталь, необходимо удалить из чугуна углерод. Это достигается путем выжигания (окисления) углерода. Одновременно с углеродом окисляются и другие примеси, содержащиеся в чугуне, — кремний и марганец.

Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими примесями. Содержание углерода обычно не более 1,3%. Наиболее древний из всех существующих способов получения жидкой стали – тигельный процесс. Емкость тиглей 25-30кг. В настоящее время сталь получают в конвертерах, мартенах, электропечах. Существует ряд других способов, менее производительных, но обеспечивающих получение стали очень высокого ка-ва, с особыми свойствами: вакуумный дуговой переплав (ВДП), вакуумный индукционный переплав (ВИП), электрошлаковый переплав (ЭШП), переплав в электронно-лучевых и плазменных печах. В последние годы существенное развитие получают новые методы обработки жидкой стали вне печи, например: обработка стали в ковше вакуумом, жидкими или порошкообразными шлаковыми смесями, продувка инертным газом (внепечная или ковшевая металлургия).

5.1. Классификация и маркировка сталей

Полученные тем либо иным способом стали чрезвычайно многообразны. Их необходимо классифицировать. Способы классификации так же многообразны и стали делятся: 1 - по способу производства, 2 - по назначению, 3 - по качеству, 4 - по химсоставу, и 5 - строению получающегося слитка.

1. - Мартеновская, бессемеровская, томасовская, кислородно-конвертерная, электросталь

2. - По назначению стали делятся на стали общего назначения (конструкционные), идущие на изготовление деталей машин, и инструментальные, предназначенные для изготовления инструментов.

Конструкционные стали содержат до 0,7% углерода (в виде исключения изготавливаются стали с содержанием углерода до 0,85%). Эти стали должны обладать достаточной прочностью и пластичностью, хорошей обрабатываемостью.

Конструкционные стали в свою очередь делятся на стали обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые инструментальные стали содержат свыше 0,7% углерода. Сравнительно большое содержание углерода придает этим сталям высокую твердость и прочность. Инструментальные стали подразделяются на качественные и высококачественные.

3. – 3 группы: обыкновенная, качественная и высококачественная. Различия между ними в допустимом содержании вредных примесей (серы и фосфора), чем выше класс тем меньше содержание указанных примесей.

4. – По химическому составу сталь делится на углеродистую (низко-, средне- и высокоуглеродистые) и легированную (низколегированные и легированные).

В зависимости от содержания углерода ГОСТ 5200—50 делит все углеродистые стали на три группы: низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,25—0,6% углерода) и высокоуглеродистые (от 0,6 до 2% углерода).

Углеродистая сталь — сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%), поддающийся ковке. Кроме железа и углерода, в состав углеродистой стали входят также кремний, марганец, сера и фосфор.

Углерод в стали находится обычно в виде цементита. С увеличением содержания углерода до 1,2% увеличиваются твердость, прочность и упругость стали, при этом, однако, уменьшаются пластичность и ударная вязкость, ухудшаются обрабатываемость и свариваемость.

Кремний в небольших количествах (нормальное содержание его в стали 0,05—0,35%) не оказывает особого влияния на свойства стали. При повышении содержания кремния повышаются упругость, коррозионная стойкость и жаростойкость стали.

В обыкновенной стали марганца содержится 0,3—0,8%; такое количество марганца почти не влияет на ее свойства. При высоком содержании марганца сталь становится очень твердой и износоустойчивой.

Сера — вредная примесь, придающая стали красноломкость и понижающая коррозионную стойкость. Серы в стали допускается не более 0,06%.

Фосфор (допускается до 0,07%) придает стали повышенную хрупкость в холодном состоянии. Он несколько улучшает обрабатываемость стали.

Кислород является вредной примесью, он образует закись железа, придающую стали хрупкость.

Легированными называются стали, в состав которых, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят легирующие химические элементы, повышающие их физические, химические и механические свойства.

Химические элементы в марках легированных сталей обозначаются следующими буквами русского алфавита:

А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г- марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, У – углерод, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Название марки состоит из буквенных обозначений элементов и следующих за ними чисел, указывающих на среднее содержание легирующего элемента в процентах.

Две цифры, стоящие левее первой буквы, указывает на содержание углерода в сотых долях процента (для конструкционных сталей), а одна цифра – в десятых долях процента (для инструментальных сталей).

Цифры, стоящие после букв, справа, указывают приблизительное содержание элемента, если оно больше 1%.

Буква А, стоящая в конце, свидетельствует о том, что сталь качественная.

Например, сталь марки 12Х2Н4А – это высококачественная конструкционная сталь, в которой содержится 0,12 % углерода, 2 % хрома и 4 % никеля.

Если углерода в стали 0,09 %, то цифру вначале не ставят, если углерода до 0,08 %, то ставят число «0», а при содержании углерода до 0,04 % - ставят два нуля «00». Например, сталь марки 0Х14Н28В3ЮТР содержит около 0,08 % углерода, 14% хрома, 28% никеля, 3% вольфрама и по 1% алюминия, титана и бора.

Марки углеродистых сталей обычного качества Ст0, Ст1, Ст2

качеств. сталь 10,20,45 (сотые % углерода)

Углеродистые инструментальные стали маркируются У7,У10, У12(десятые доли С).

5 – По строению слитка стали делятся на спокойную, кипящую и полуспокойную.

2. Шихта и шлаки сталеплавильного производства.

Шихта

1 – металлосодержащие

2 – добавочные

3 – Окислители.

К первой группе относятся

а – чугун(жидкий или твердый)

б – стальной (иногда чугунный) лом

в – продукты прямого получения железа

г – ферросплавы

Основная масса металлошихты (90%) чугун -55% и стальной лом(скрап) – 45%. На 1 т стали примерно 1,1т металлошихты.

Мартен 55% чугуна 45%лома

Конвертер 75-85%чугуна 15-25% лома

Электропечь 5% чугуна 95% лома.

а – Из доменного цеха в чугуновозных ковшах чугун поступает в миксер, где происходит выравнивание состава и Т. Емкость до 1300т. Иногда в ковши миксерного типа емкостью до 200т. (если работа доменного цеха ритмична). При использовании ковшов Т выше на 50-60 С, чем в стационарном миксере. Если нет доменного цеха чугун поступает в виде чушек, которые предварительно расплавляют в вагранках.

б – Существует специальная отрасль – ломоперерабатывающая.

47-48% лома образуется на металлургических заводах – обрезь, бракованные слитки и т.д. Это тяжеловесный лом и его химсостав известен.

18-20% лома образуется на машиностроительных заводах (стружка, отходы штамповки и т.п.). его химсостав тоже можно проследить.

30% лома – отслужившие свой срок машины. В связи с многообразием его химсостав неизвестен. Иногда он загрязнен маслами( а это сера), цветными Ме (Pb, Al, Sn, Cu, Zn и др.).

Pb, Sn, Zn вредны для экологии, Sn резко снижает прочность при высоких Т. Zn улетучивается и откладывается в футеровке, что приводит к ее разрушению. Свинец проникает в поры кладки печи. В ряде случаев такой лом загрязнен ржавчиной.

Лом в виде стружки неудобен. Для придания лому технологических свойств существует следующее оборудование: прессы, дробилки, печи для обжига. Несмотря на все это лом дешевле чем добыча и переработка руды.

Особую ценность представляют лом и отходы легированной стали из-за наличия в нем ценных элементов (никель, молибден, кобальт и т.д.). Поэтому все отходы легированных сталей строго учитываются, а их использование контролируется.

Ко второй группе относятся

• известняк

• известь(85-90% СаО)

• боксит(20-60% глинозема, 3-20% кремнезема и 15-45 гематита)

• плавиковый шпат (90-95% флюорита)

• Мп руда

• песок (95% кремнезема)

• Бой шамотного кирпича(65% кремнезема, 30% глинозема).

Ко всем добавочным материалам предъявляют высокие требования по содержанию вредных примесей (серы, Р, Н₂ и др.)

К третьей группе относятся

• чистый кислород

• сжатый воздух

• железная руда

• окалина

• агломерат

• железорудные брикеты.

Шлаки сталеплавильного производства

Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления элементов, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов. В загружаемой шихте имеется некоторое количество загрязнений. Кроме того при ведении плавки добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза – шлак.

Основные источники образования шлака

1 – продукты окисления примесей чугуна и лома – Si, Mn, P, S, Cr и др. которые дают SiO₂, MnO, P₂O₅, FeS, MnS, Cr₂O₃ и др.

2 – Продукты разрушения футеровки агрегата – при разъедании основной футеровки(доломит, магнезит) в шлак попадает СаО и MgO , кислой (динас) - SiO_2.

3 – Загрязнения внесенные шихтой (песок, глина, минеральный шлак) –SiO₂, Al₂O₃, MnS.

4 - Ржавчина – окислы железа ( из лома)

5. – Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды). вводя после соответствующего расчета то или иное количество добавок получают шлак нужного состава.

Иногда производят операцию скачивания шлака, когда определенное количество шлака, иногда 100% удаляют и наводят новый необходимого состава.

Характеристика шлаков

1. Шлаки в которых преобладают основные оксиды называются основными, кислые оксиды – кислыми.

В зависимости от характеристики шлака и процесс называют основным или кислым.

Обычно характер огнеупорных материалов из которого сделана кладка сталеплавильной ванны должен соответствовать характеру процесса или шлака. Потому, что кислотные оксиды активно взаимодействуют с основными. В тех агрегатах где нет футеровки (ЭШП) шлак может быть любым.

Степень основности определяется отношением извести к кремнезему. Если степень меньше 1,5 –низкоосновные шлаки, 1,6-2,5 –среднеосновные и более 2,5 высокоосновные.

При переделе высокофосфористых чугунов для характеристики основности берут следующее отношение CaO/(SiO₂+P₂O₅)

2. Для кислых шлаков используют степень кислотности SiO₂/(FeO + MnO).

3. Степень окисленности выражается в содержании FeO в шлаке.

Важнейшим свойством шлака является его жидкотекучесть. Которая определяется степенью перегрева или при невозможности увеличить температуру изменением состава шлака.

Для разжижения основных шлаков – боксит, плавиковый шпат, песок. Для сгущения СаО,MgO.

Для кислых наоборот.

Роль шлака

1 – предохраняет Ме от атмосферы

2 – Удаление из Ме вредных примесей. Например удаление серы и фосфора заключается в переводе этих элементов в шлак и создания условий препятствующих их обратному переходу.

3 – Изменение состава Ме.

Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получении шлака необходимой консистенции и химсотстава.