Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология конструкционных материалов. Учебное пособие
.pdf
11
фолью. После испытания труба не должна иметь трещин, расслоений,
а)
б)
в)
г)
д)
надрывов.
Рис. 3. Технологические пробы
Проба на перегиб проволоки (рис. 3 д) производится с целью выяв-
ления способности проволоки выдерживать повторный загиб. Число
перегибов до разрушения свидетельствует о способности металла выдерживать многократные перегибы.
12
1.3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
Рис. 4. Схема устройства доменной печи: 1 – колошник; 2 – шахта;
3 – фурменные устройства; 4 – горн; 5 – чугунная летка; 6 – шлаковая летка
1.3.1. Получение чугуна
К чугунам относят железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2 %. Чугун получают плавкой железных руд в доменных печах (домнах). Из железных руд главнейшие: магнитный, красный, бурый
и шпатовый железняки. Содержание железа в них иногда достигает 70 .
Домна представляет собой шахтную печь, футерованную изнутри огнеупорным шамотным или динасовым кирпичом и имеющую снаружи
металлический кожух из листовой котельной стали (рис. 4). В качестве
топлива применяют кокс, получаемый нагревом каменных углей без
доступа воздуха при Т=1000°С.
13
В шихту (сырьевые материалы) вводят флюсы для понижения температуры плавления пустой породы и золы: известняк, реже доломит.
Перед плавкой железные руды подвергают специальной подготовке с
целью увеличения содержания железа в шихте, повышения ее однородности. Подготовка включает дробление руды и сортировку по крупности, обогащение с помощью промывки, гравитации, магнитной сепарации, а также агломерацию и окатывание обогащенного концентрата,
содержащего не менее 60 % железа. Доменную печь загружают сверху
непрерывно, чередующимися через 5…10 минут, слоями агломерата и
топлива. Воздух, необходимый для горения топлива, подается подогретым до 1000...1200С через фурменное устройство, расположенное в
верхней части горна. Горение топлива в районе фурм происходит по
реакции
С+ О2=СО2.
При повышенных температурах диоксид углерода неустойчив и частично переходит в оксид углерода.
СО2+С=2СО.
Окись углерода является энергичным восстановителем, способным
соединяться не только с кислородом, но и отбирать кислород из твердых оксидов железа и других элементов.
Восстановление железа в интервале температур от 200 до 1100°С
протекает по следующей схеме:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4+4СО = 3Fе + 4СO2;
Fe3O4 + СО = 3FeO + СO2;
FеО + СО = Fе + CO2.
При температуре свыше 900°С восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается:
ЗFе + 2СО = Fе3С + СO2;
ЗFе+С = Fe3C.
При температуре выше 1130°С начинается образование жидкой фазы,
состоящей из шлака и чугуна. Жидкий шлак, состоящий из пустой породы
и флюсов, как более легкий, всплывает над чугуном. Расплавы чугуна и
шлака периодически выпускаются через чугунную и шлаковую летки.
14
В доменной печи выплавляют передельные и литейные чугуны, а
также ферросплавы. Передельные чугуны используют для получения
стали. Литейные чугуны применяют для изготовления отливок. Ферромарганец и ферросилиций используются как раскислители при производстве стали.
1.3.2. Получение стали
Стали представляют собой железоуглеродистые сплавы, содержащие
менее 2 % углерода. Стали получают из передельного чугуна понижением в нем содержания углерода и удалением вредных примесей фосфора
и серы посредством реакций окисления. В настоящее время стали получают конвертерным, мартеновским способами, а также в электропечах.
Различают кислый и основной конвертерные способы получения
стали, сущность которых заключается в продувке воздухом жидкого
чугуна, находящегося в конвертере.
Кислый конвертерный способ предложен в 1856 г. Г.Бессмером и получил название «бессмеровский процесс». Кислому конвертированию подвергаются передельные доменные чугуны (бессемеровские), содержащие небольшое количество кремния (0,9 ÷ 1,6 %) и марганца (0,6 ÷ 1,2 %). Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,05 % каждого элемента.
Переработка путем конвертирования на сталь доменных чугунов, содержащих значительное количество фосфора (до 2,20 %), была осуществлена в 1878 г. С.Д.Томасом. При основном конверторном способе
– томасовском – в конвертер вместе с жидким чугуном загружается
определенное количество извести.
Во второй половине XX в. оба эти способа вытеснены кислородноконвертерным процессом.
1.3.2.1. Кислородно-конвертерный способ получения стали
Кислородно-конвертерный способ заключается в получении стали из
жидкого чугуна в конвертере продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму (рис. 5). Передельный чугун, направляемый для переработки в кислородный конвертер, должен содержать: 3,7…4,4 % углерода; 0,7…1,1 % марганца; 0,4…0,8 % кремния; 0,03…0,08 % серы и не
более 0,15… 0, 3 % фосфора.
15
Рис. 5. Схема устройства кислородного конвертера:
1 – стальной корпус; 2 – труба для подачи кислорода;
3– фурма донного конвертера
В наклоненный конвертер загружают скрап, заливают чугун при
температуре 1250…1400°С. Затем конвертер поворачивают вертикально
и через фурму подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Благодаря
циркуляции кислорода происходит интенсивное окисление примесей
чугуна. Температура в конвертере повышается до 1600°С. Кислород
взаимодействует с железом:
2Fе + О2 = 2 FеО.
Закись железа обогащает металл и шлак кислородом:
FеО=Fе+O.
Примеси чугуна окисляются кислородом, растворенным в металле:
Si+ 2O = SiO2;
Мn + О = МnО;
C+O=CO.
Часть примесей окисляется оксидом железа:
Si + 2FеО = SiO2 + 2Fе;
Мn + FеО = МnО + Fе;
C + FеО = СО + Fе.
16
Благодаря присутствию шлаков, богатых СаО, FеО, легко удаляется
фосфор:
2Р + 5FеО + 4СаО = (СаО)4P2O5 + 5Fе.
Фосфат кальция переходит в шлак. Удаление серы из металла про-
исходит по реакции
FeS +СаО = СаS+FеО.
По ходу плавки осуществляют автоматический контроль химического состава металла. Когда содержание углерода в металле достигнет
требуемой величины, подачу кислорода заканчивают и производят выпуск стали в ковш поворотом конвертера. При выпуске стали ее раскисляют сначала ферромарганцем, затем ферросилицием и алюминием,
восстанавливая FeO до Fе.
По степени раскисления сталь делится на кипящую, спокойную и полуспокойную. При остывании плохо раскисленной (кипящей) стали
происходит бурное выделение газов, способствующих образованию пор.
Вокруг пор концентрируются различные неметаллические включения и
примеси, что приводит к снижению качества стали. Спокойная (хорошо
раскисленная) сталь остывает без бурного выделения газов. При этом
примеси в виде шлака скапливаются в верхней части слитка, которая
идет на переплавку. Остальная часть слитка отличается высоким качеством, однородностью и способна сопротивляться хрупкому разрушению.
В строительстве преимущественно применяют полуспокойную сталь,
ее стоимость ниже, чем у спокойной. Высокопрочные строительные
конструкции проектируют из спокойной стали. В кислородных конвертерах выплавляют низколегированные стали, содержащие 2…3 % легирующих элементов, которые вводят в ковш, предварительно расплавив в
электропечи. Плавка в конвертерах емкостью 130…300 т заканчивается
через 25…50 мин.
Кислородно-конвертерный процесс производительней плавки в мартеновских печах. Сдерживающим фактором в развитии конвертерного
производства является присутствие в стали азота. Вредное влияние азота
на свойства стали начинает проявляться при повышении его содержания
более 0,01 %. При повышенном содержании азота со временем наблюдается снижение пластичности стали, которое называют старением ста-
17
ли. Это явление связано с выделением нитрида железа на границах зерен
5 3 4 1 6
2
феррита.
1.3.2.2. Получение стали в мартеновских печах
Мартеновская печь (впервые построена П.Мартеном во Франции в
1864 г.) – сложное сооружение, как правило, оборудованное автоматическими приборами для точного регулирования технологического процесса
(рис. 6). Так же как и у доменной печи, стены мартеновской печи выложены из специальных сортов огнеупоров, а пол защищен огнеупорной
набивкой. Мартеновская печь снаружи заключена в металлический каркас,
придающий ей необходимую жесткость в продольном и поперечном
направлениях. В передней стене печи имеются завалочные окна для загрузки переплавляемых материалов. Готовую сталь выпускают через отверстие, находящееся в задней стенке рабочего пространства печи. Сверху
рабочее пространство перекрывается рабочим сводом.
1 – свод; 2 –под; 3 –отверстие для выпуска стали; 4 – завалочные окна;
5 – каналы для отходящих газов печи; 6 - регенератор
Рис.6. Мартеновская печь:
Если в процессе плавки стали в шлаке преобладают кислотные оксиды, процесс называется кислым мартеновским процессом, а если преобладают оснóвные оксиды - оснóвным. При высоких температурах шлаки
могут взаимодействовать с футеровкой печи, разрушая ее. Для умень-
18
шения этого взаимодействия необходимо, чтобы при кислом процессе
футеровка печи была кислой, например, из динасового кирпича, а при
оснóвном - оснóвной, например, из магнезитового кирпича.
Наибольшее количество стали производят по оснóвному мартеновскому способу, так как при этом получают качественную сталь из чугуна
любого химического состава. В оснóвном мартеновском процессе фосфор и сера удаляются из металла в шлак с помощью известняка. Кислым
мартеновским процессом выплавляют качественные стали с низким количествам растворенных газов водорода и кислорода и неметаллических
включений. При плавке в кислой печи применяют металлическую шихту
с низким содержанием примесей фосфора и серы. Кислая сталь имеет
более высокие показатели механических свойств, особенно ударной вязкости и пластичности. Процесс плавки интенсифицируют применением
кислорода, что повышает температуру в печи и ускоряет процесс окисления примесей.
В период плавления оксиды железа руды и скрапа способствуют
окислению примесей:
2Fе203+3Si = 3SiO2+ 4Fe;
Fе2О3+ЗМn = ЗМnО + 2Fе;
5Fe2О3 + 6Р = ЗР2О5 + 10Fe;
Fе2О3 + ЗС = ЗСО+2Fe;
FeS + CaO = CaS + FeO.
По ходу плавки, через определенные периоды, из печи выпускается
шлак с перешедшими в него соединениями (SiO2, МnО, Р2О5, СаS).
В зависимости от состава шихты различают следующие разновидности мартеновского процесса:
1 - скрап процесс, в котором шихта состоит из 60…75 % стального
лома - скрапа и 25…40 % твердого чугуна;
2 - рудный процесс, для которого шихта составляется из жидкого чугуна, некоторого количества скрапа и железной руды, вводимой для
окисления удаляемых из чугуна примесей;
3 - скрап-рудный процесс, при котором используется шихта, состоящая из жидкого чугуна и скрапа примерно в равных количествах.
Плавка длится 6…15 часов, при этом постоянно контролируется химический состав металла. При выплавке легированных сталей легкоокисляющиеся легирующие добавки вводят в ванну после окисления
примесей, перед выпуском металла из печи.
19
Рис.7. Дуговая электрическая печь
для выплавки стали:
1 – электроды; 2 – ванна с шихтой;
3 –поворотный механизм
1.3.2.3. Получение стали в электропечах
Источником тепла в электропечах является электродуга, образующаяся между вертикально
установленными угольными электродами и загружаемой в печь металлической шихтой (рис. 7).
В первый период после
расплавления шихты происходит окисление марганца, кремния, углерода и
фосфора за счет кислорода
железной руды. Вводимая
с шихтой известь способствует удалению почти
всего фосфора с сильноосновными шлаками. Затем
происходит раскисление
стали и очищение от серы
и других неметаллических
включений. Окончательное раскисление происходит после введения ферросилиция и алюминия. В
электропечах получают
стали точно заданного
химического состава с
незначительным содержанием серы, фосфора, кислорода. Недостаток способа состоит в низкой производительности и высокой
себестоимости стали.
1.3.3. Разливка стали
Из печи сталь с помощью разливного ковша выливается в чугунные
формы-изложницы, где и затвердевает в слитки. Качество и свойства
20
стали в значительной степени зависят от условий ее разливки. Существуют два способа (рис. 8) разливки стали: сверху – отдельно в каждую
изложницу и снизу – сифонным способом; в последнем случае применяют изложницы, не имеющие дна, установленные на поддонах с устроенными в них каналами.. Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в
центральный литник и через каналы снизу заполняет одновременно несколько изложниц. Сифонную разливку используют для отливки мелких
слитков.
Рис. 8. Схема расположения изложниц при разливке стадии:
а – сифоном; б – сверху
Выбор метода разливки определяется местными возможностями и
конкретными требованиями к металлу. Однако более чистые стали (шарикоподшипниковая, быстрорежущая, магнитная и др.) разливаются
сверху.
В настоящее время применяют непрерывный способ разливки стали,
позволяющий улучшить качество и увеличить выход готовой продукции.
При этом способе жидкая сталь заливается в охлаждаемую водой металлическую форму (кристаллизатор), донная часть которой может опускаться с определенной скоростью. Регулируя скорость разливки стали и
скорость опускания донной части формы, можно получать плотный слиток необходимой длины, без усадочной раковины с равномерным химическим составом.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]