1.Физико-химические процессы при выплавке стали из чугуна. Основные периоды процесса выплавки стали (на примере конвентора с основной футеровкой).

Годовой объем производства стали 1 млрд 300 млн тонн. После обогащения руды металлом до 50%, руду помещают в доменную печь, и руда восстанавливается.

Восстановительный процесс. Руда→Обогащение→Доменный процесс.

Руда восстанавливается коксом (природным углем, содержащим около 90% углерода)

Доменный процесс: FeO+C→+Fe+4%C+Si(0.5%)+Mn(1%)+S+P.

Т.е. на первом этапе в доменной печи получается чугун с примесями.

S и P – примеси, изначально содержащиеся в руде, они вредные, их надо удалять.

Si и Mn – полезные, их надо добавлять.

Окислительный процесс.

Это сталеплавильный процесс (для удаления вредных примесей). Содержание серы доводится до концентрации 0,02-0,01% еще на стадии чугуна.

Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургиче­ских центрах- Линце и Донавице. В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основ­ной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделе­нию энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш. Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получе­ния углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали. 1

2. Повышение качества стали вакуумированием при разливке. Схемы процессов.

Развитие машиностроения предъявляет возрастающие требования к качеству металла: его прочности, пластичности, газосодержанию. Улучшить эти показатели можно уменьшением в металле вредных примесей газов, неметаллических включений. Для повышения качества металла используют обработку металлов синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию металла, электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), переплав металла в электронно-лучевых и плазменных печах и др.

Вакуумирование стали проводят для понижения концентрации кислорода, водорода, азота и неметаллических включений. Для вакуумирования исп. разные способы (в ковше, циркуляционное, поточное, струйное, порционное).

Вакуумирование стали в ковше.

Осущ. в камере1, в которую уст-ся ковш2 со сталью, после чего камеру герметично закрывают крышкой3 и соединяют с работающим вакуум-насосом. На крышке камеры предусмотрен бункер4 для ферросплавов. При достижении разрежения с остаточным давлением 0,267…0,667 кПа металл закипает, что свидетельствует о начале дегазации. Длительность обработки зависит от температуры стали в ковше и ее массы и составляет 10…20 минут. По окончании обработки камеру соединяют с атмосферой, открывают камеру, и ковш со сталью увозят на разливку.

Циркуляционное вакуумирование.

Осущ. на установке, которая состоит из вакуумной камеры1 со всасывающей2 и сливной3 трубами, опускаемыми в ковш5 со сталью. В установке предусмотрен бункер4 для ферросплавов. После создания разрежения с остаточным давлением 0,267..0,667 кПа, в камере образуется слой металла высотой 200-400 мм. В нижней части одной из труб имеется кольцевой коллектор6 с соплами для ввода транспортирующего газа аргона (происходит барботирование). Аргон, попадая в расплавленную сталь, образует взвесь мелких пузырьков, поднимающихся по трубе и увлекающих за собой металл. Попадая в камеру, металл вакуумируется и стекает по второй трубе в ковш. При скорости движения металла 15...20 т/мин длительность вакуумирования составляет 20..30 минут. Расход аргона 10..28 л/т. Вследствие непрерывного смешивания обработанного металла с необработанным, требуется трех-, четырехкратное прохождение стали через камеру. 2

Поточное вакуумирование

Осущ. при непрерывной разливке. На рис. 2.13в приведена схема вакуумной обработки стали с промежуточной вакуум-камерой. Разливочный ковш1 со сталью герметически устанавливают на вакуумную камеру2, патрубок3 погружен в металл промежуточного ковша4. Сталь из промежуточного ковша поступает в кристаллизатор5, из которого вытягивается слиток6. Этим способом при непрерывной разливке вакуумируют как спокойную, так и низкоуглеродистую кипящую сталь, получая плотные слитки.

Вакуумно-дуговой переплав. Сущность процесса и технологические возможности.

Прим. с целью удаления газов и неметаллических включений из металла. Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. В зависимости от требований, предъвляемых к получаемому металлу, расходуемый электрод изготовляют механической обработкой слитка, выплавленного в электропечах или установках ЭШП. Расходуемый жлектрод3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке2 и помещают в корпус1 печи и далее в медную водоохлаждаемую изложницу6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0.00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом – катодом3 и затравкой – анодом8 возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли жидкого металла4, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом5 в верхней части слитка на протяжении всей выплавки. Сильное охлаждение слитка и разогрев дуговой ванны металла создают условия для направленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включения сосредотачиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Из слитков изготавливают ответственные детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 тонн.

3