Лекція 2.1 Загальні відомості про виробництво чавуну та сталі

Мета: Ознайомити студентів з основними металургійними процесами та вихідними матеріалами для виробництва чавуну і підготовкою їх до плавки доменного виробництва, способами прямого відновлення заліза з руди. Основні способи виробництва та розливання сталі.

1 Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів.

2 Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.

3. Характеристика палива та флюсів, що застосовуються в металургії.

4. Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування.

5. Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.

6. Інтенсифікація доменного процесу.

7. Пряме відновлення заліза з руди.

8. Поняття про виробництво сталі із чавуну.

9. Характеристика конвертерного способу виробництва сталі.

10. Характеристика мартенівського способу виробництва сталі.

11. Характеристика способу виробництва сталі в електропечах.

12. Комбіновані способи виробництва сталі.

13. Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі.

14. Поняття про способи одержання високоякісної сталі.

Рекомендована література

[2. с. 25 –42, 42 – 68; 4. с. 26 – 39, 39 – 58; 6. с. 14 – 23, 23 – 38; 7. с. 22 – 29]

Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів. Галузь промисловості, що займається виробництвом металів і сплаві з руди та іншої сировини, наука про способи одержання та очистки металів називається металургією.

Спочатку залізо одержували безпосередньо із руди відновленням в горнах. Внаслідок насичення заліза вуглецем, одержували сплав крихкий, але з гарними ливарними якостями. Цей сплав назвали чавуном. Потім чавун почали переробляти в сталь – сплав з меншим, ніж у чавуні, вмістом вуглецю, марганцю, кремнію та ін., що володіє високою пластичністю і міцністю. Двохстадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуну в доменній печі і переробка його в сталь – є і сьогодні основною.

Характеристика матеріалів, що застосовуються в металургії. Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо і вогнетривкі матеріали.

Руда – це гірські породи, що містять метали в кількостях, що забезпечують їх економну переробку. Скажімо, залізні руди містять 30...60 % металу. Руда складається із мінералів, що містять метал у вигляді окислів, сульфідів, карбонатів і пустої породи, до складу якої входить кремнезем SiO₂ , глинозем Al₂O₃ , а також домішки сірки, фосфору, миш’яку та ін.

Флюси – це матеріали, що утворюють при плавці шлак – легкоплавку сполуку з пустою породою руди, золою палива і іншими неметалічними включеннями. Звичайно шлак володіє меншою густиною, ніж виплавляємий метал, тому він розташовується над ним, захищаючи його від взаємодії з пічними газами і повітрям.

Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний коксовий газ, мазут.

Кокс одержують сухою перегонкою кам’яного вугілля без доступу повітря при температурі 1000...1100 ºС. Він містить 85...90 % С, має високу питому теплоту згоряння, малу зольність.

Природний газ – висококалорійне дешеве паливо і складається в основному із метану СН₄.

Доменний газ – побічний продукт при виплавці чавуну в доменній печі (містить до 32 % СО, до 4 % Н₂).

Мазут – важкий залишок перегонки нафти, містить до 88 % С, 10...12 % Н₂ і невелику кількість кисню та сірки.

Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішнього облицювання (футерівки) плавильних печей і іншого обладнання, що знаходиться під дією високих температур і розплавлених металів і шлаків. Це динасова цегла, кварцовий порошок, шамот, хромомагнезит та ін.

Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки. На сучасному етапі до 85 % чавуну витрачається на виробництво сталі.

Сировиною для виплавки чавуну служать залізні руди, флюси і паливо. Залізо в рудах в основному знаходить у вигляді окислів, рідше у вигляді карбонату FeCO₃. Серед залізних руд використовується магнітний залізняк, що містить до 65 % заліза у вигляді магнітного окислу Fe₃O₄ (магнетит), червоний залізняк, що містить до 60 % заліза у вигляді безводного окислу Fe₂O₃ (гематит), бурий залізняк, що містить до 50 % заліза у вигляді гідроокису 2Fe₂O₃·3Н₂О (лимоніт) та Fe₂O₃·Н₂О (гетит) – це бідні руди забруднені миш’яком та фосфором, шпатовий залізняк – бідна руда, що містить до 40 % заліза у вигляді карбонату FeCO₃ (сидерит), містить небагато сірки та фосфору.

Основна маса руди (приблизно 95 %) проходить стацію попередньої підготовки до плавки, що включає в себе подрібнення, сортування, збагачення та кускування. Спочатку руду подрібнюють, а потім сортують. Придатними для плавки вважаються шматки (куски) розміром 40...100 мм. Більше 80 % всіх руд піддають збагаченню, шляхом магнітної сепарації. Попереднім випалюванням руди при температурі 600...800 ºС немагнітні окисли переводять у магнітні.

Паливо в процесі виплавки чавуну в доменній печі виконує роль не тільки пального, але й відновлювачем заліза з руди.

Флюсами при виплавці чавуну в доменній печі служать вапняк СаСО₃ або вапняк, що складається з СаСО₃ та MgСО₃.

Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування. Чавун із залізної руди виплавляють в домнах – вертикальних печах шахтного типу.

Для виплавки чавуну в домну завантажують шихту – суміш певного співвідношення руди, палива і флюсів. Окремі порції шихти називаються колошами. Колоші з бункера (слайд 2.1-1, плакат) подаються вагонетками у приймальну воронку засипного апарату. Шихта попадає по черзі в колошник і далі в шахту печі. Шихта завантажується в домну періодично (бо домна відноситься до печей безперервної дії протягом 5...10 років) по мірі згоряння палива і випуску чавуну і шлаку.

Найширша циліндрична частина домни називається розпаром. Нижче нього знаходяться звужувальні заплечики і горн, обмежений лещаддю. В нижній частині горна розташовані ливники для випуску чавуну і шлаку.

Для підтримання горіння палива в домену піч через ряд розташованих по колу фурм вдувається під тиском до 0,25 МПа повітря. Витрати повітря на виплавку 1 т чавуну становить 3000...7000 м³/хв.

Основними характеристиками доменної печі служать її корисна висота (відстань від лещаді до нижнього конуса засипного апарату) і корисний об’єм (робочий об’єм, заповнений шихтою і продуктами плавки). Сучасні домені печі мають: корисний об’єм 2000...5000 м³, добову продуктивність 3000...10000 т, корисну висоту до 35 м.

Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі. Демена піч працює по принципу протитоку: шихтові матеріали рухаються зверху вниз, а назустріч їм піднімається потік гарячих газів – продуктів згоряння палива. При цьому відбуваються наступні процеси: горіння палива, відновлювання та збагачення заліза вуглецем (“науглераживание”), відновлення інших елементів, утворення шлаку.

При температурі 750...900 ºС в шихті відновлюється залізо:

3Fe₂O₃+СО = 2Fe₃O₄+СО₂; Fe₃O₄+СО = 3FeO+СО₂; FeO+СО = Fe+СО₂.

В результаті цих реакцій утворюється тверде губчасте залізо. При температурі 1000...1100 ºС губчасте залізо збагачується вуглецем:

3Fe+2CO = Fe₃С+СО₂; 3Fe+C = Fe₃С.

Вуглець знижує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому, опускаючись в нижню частину шахти, сплав починає плавитися додатково насичується вуглецем та іншими елементами, відновленими з руди – марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою.

Таким чином, в результаті відновлення заліза, марганцю, кремнію, фосфору та сірки і їх розчиненні в залізі в горні печі утворюється чавун. Разом з чавуном в нижній частині печі збирається шлак – сплав пустої породи, флюсів, золи палива, а також частина невідновлених окислів.

В процесі утворення і накопичення чавун і шлак по різним ливникам випускають із печі: чавун – через 3...4 год., а шлак – через 1,0...1,5 год.

Інтенсифікація доменного процесу. Для інтенсифікації процесу плавки і більш економної витрати палива повітря, що вдувається, попередньо нагрівають до 1000...1200 ºС у повітронагрівачах (кауперах).

Поняття про виробництво сталі із чавуну. Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, домішок сірки та фосфору. Основною сировиною для виробництва сталі є передільний чавун та стальний металобрухт. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 % Si, 0,6...3,5 % Mn, 0,07...1,6 % P, 0,03...0,08 S. Суть переробки чавуну в сталь полягає у зменшенні в ньому вмісту вуглецю та інших елементів і переводу їх у шлак або гази. То ж сталь одержують окисленням надлишку С, Si, Mn, S та P.

На сучасному етапі сталь одержують в кисневих конвертерах, мартенівських та електричних печах.

Характеристика конвертерного способу виробництва сталі. Суть киснево-конвертерного процесу заключається у продуванні рідкого чавуну киснем. Кисневий конвертер представляє собою посудину грушовидної форми із стального листа, внутрішня частина якого футерована основними вогнетривкими матеріалами (слайд 2.1-2, плакат). Робоче положення конвертера – вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1,0 МПа за допомогою водоохолоджуваної фурми, що введене в конвертер через горловину і розташована над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8 м.

Перед початком роботи конвертер завантажують до 30 % стального брухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 ºС, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають шлакоутворюючі матеріали.

В момент, коли вміст вуглецю досягає заданого для даної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім – шлак. Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год, в той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год.

Характеристика мартенівського способу виробництва сталі. Матеріалами для виплавки сталі в мартенівській печі можуть бути: стальний брухт, рідкий і твердий чавуни, залізна руда. Флюсом служить вапняк СаСО₃ (8...12 % від маси металу). Спочатку в піч завантажують і прогрівають залізну руду і вапняк, потім додають стальний брухт (скрап) і заливають рідкий чавун. Для інтенсифікації процесу плавлення і окисленні домішок ванну продувають киснем. Продувка киснем дозволяє скоротити тривалість процесу у 2...3 рази, зменшити витрати палива і залізної руди.

Характеристика способу виробництва сталі в електропечах. Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі володіють рядом переваг: здатністю швидкого нагрівання і підтримання заданої температури в межах 2000 ºС, можливістю створення окислювальної, відновлювальної та нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дозволяє виплавляти в електропечах сталі і інші сплави з мінімальною кількість шкідливих домішок та сталі зі спеціальними властивостями. Металургійні печі поділяють на дугові і індукційні.

У дуговій електропечі джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами діаметром 350...550 мм і шихтою при подачі на електроди напруги 200...600 В і струму 1...10 кА. Плавка з окисленням схожа з мартенівським процесом. Плавка без окислення застосовується для одержання легованих сталей.

Індукційні печі порівняно з дуговими мають ряд переваг:

- відсутність дуги дозволяє виплавляти метали з малим вмістом вуглецю і газів; - виникаючі електродинамічні сили перемішують рідкий метал, вирівнюючи хімічний склад і умови спливання неметалічних включень;

- ці печі маю невеликі розміри, що дозволяю розміщувати їх в спеціальних камерах, створюючи будь-яку атмосферу чи вакуум.

В цих печах плавку звичайно проводять методом переплавки легованих сталей або чистого по сірці та фосфору вуглецевого скрапу і феросплавів.

Тривалість плавки в індукційній печі ємністю 1 т складає 45 хв., витрати електроенергії на 1 т сталі – 600...700 кВт·год.

Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі. Виплавлену в плавильній печі сталь випускають у сталерозливний ківш і мостовим краном переносять до місця розливання злитки. Сталь розливають у виливниці (“изложницы”) або кристалізатори установок для безперервного розливання.

Виливниця представляє собою чавуну форму для одержання злитків різного перерізу (слайд 2.1-3, плакат). Маса злитків для прокату становить 10...12 т, а для поковок досягає 250...300 т. Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху і сифоном. Розливання сифоном здійснюється у виливниці внизу вверх одночасно у 2...60 встановлених на піддоні виливниць через центровий літник і канали у піддоні. При цьому забезпечується плавне, без розбризкування їх заповнення; поверхня злитка – чиста, скорочується час розливання.

Пряме відновлення заліза з руди. Заслуговує на увагу розробка процесу прямого відновлення заліза з руди. Виключення із виробництва сталі проміжного процесу – одержання чавуну – економічно вигідне. Задача складна.

Найбільш розповсюдженим є виробництво губчастого заліза. Це пористий напівпродукт (95 % заліза, 5 % оксидів заліза, 0,01...0,016 % S і 0,01 Р, домішок породи та ін.), що виплавляється у сталеплавильних агрегатах, у сталь. Відновлення шихти ведеться у невеликих за висотою шахтних печах у суміші газів СО+Н₂. Як і у доменних печах, процес заснований на принципі протитоку: залізорудні матеріали завантажують зверху, а відновлювальні, нагріті приблизно до 1200 ºС, гази поступають знизу. В зоні відновлення температура становить 850...900 ºС.

Поняття про способи одержання високоякісної сталі. Для одержання високоякісної сталі застосовують методи спеціального переплавлення, що покращують структуру сталі і її властивості. До таких методів можна віднести переплав у вакуумній індукційній печі (одержується сталь чиста по газам, сірці та фосфору), у вакуумній дуговій печі , електрошлаковий переплав, позапічна обробка тощо.

Лекція 2.2 Основи теорії та технологія термічної обробки металів. Поверхневе зміцнення сталі

Мета: Ознайомити студентів з теорією та класифікацією термічної обробки, основними операціями, їх різновидами та виконанням. Дати поняття про поверхневе зміцнення металів та одержаними при цьому властивостями.

1. Значення термічної обробки в машинобудуванні.

2. Основи теорії термічної обробки матеріалів.

3. Класифікація видів термічної обробки.

4. Явища, що супроводжують процес нагрівання металу.

5. Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск.

6. Поняття про термомеханічну обробку металів.

7. Поняття про поверхневе зміцнення металів.

8. Поняття про хіміко-термічну обробку металів.