• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Киснево-конвертерна плавка

Продукти доменного виробництва

Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний (колошниковий) газ.

Основним продуктом доменної плавки є чавун - сплав заліза з вуглецем і іншими хімічними елементами. Він використовується для переробки в сталь (до 90%) і отримання ливарних виробів.

Побічним продуктом є шлак наступного складу: 30-35% SiO₂, 40-45% СаО, 10-15% А1₂О₃, 1-1,5% FeO, 2-5% CaS. Його питома вага 2-3 т/м³, в гранульованому вигляді - 0,6-1,0 т/м³.

Побічним продуктом є і доменний газ, який містить: 8-10% СО₂; 25-35% СО, 1-3% Н_2, 55-60% N₂. Температура газів, що виходять з доменної печі, 150-300 °С, їх теплотворна здатність 3300-4200 кДж/м³. Таким чином колошниковий газ висококалорійне паливо і, після очищення, використовується як паливо у повітронагрівачах, металургійних печах, коксівних батареях.

2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ

Для одержання сталі необхідно видалити з чавуну вуглець. Це досягається шляхом його окислення. Одночасно з вуглецем вилучаються інші домішки, що містяться в чавуні – кремній, марганець, фосфор та інше.

Сталь виплавляється з чавуну в конвертерах, мартенівських і електричних печах. Таким чином, за способом виробництва розрізняють сталь мартенівську, конвертерну і електросталь. Конвертерний спосіб отримання сталі, у свою чергу, підрозділяється на бесемерівський, томасівській і киснево-конвертерний способи виробництва сталі.

Характерною особливістю вказаних способів є отримання сталі в рідкому вигляді. Таку сталь називають литою.

2.1 Бесемерівський і томасівській способи виробництва сталі

Бесемерівську сталь одержують в конвертері. Конвертер є судиною грушовидної форми, викладеною всередині кислим вогнетривким матеріалом. Дно конвертера має ряд дрібних отворів, через які з повітряної коробки подається повітря під тиском 1,5-2,5 атм.

Кисень повітря із залізом утворює оксид заліза, який розчиняється в рідкому металі і окисляє інші складові чавуну: кремній, марганець і вуглець. При цьому виділяється теплота, якої достатньо не тільки для підтримки чавуну в рідкому стані під час плавки, але і нагріву металу.

Для переробки фосформістячих чавунів футеровка конвертера викладається з основного вогнетривкого матеріалу. Такий спосіб виробництва сталі має назву томасівського, при якому в конвертер разом з рідким чавуном додають обпалене вапно в кількості 12-18% від маси чавуну. Спочатку окислюються кремній і марганець, потім - вуглець і в останню чергу - фосфор. В кінці процесу додають дзеркальний чавун або феромарганець для розкислювання і навуглецьовування.

Для киснево-конвертерної плавки використовуються кисневі конвертери місткістю до 250 т. Вони футеруються доломітовою або магнезитовою цеглою. Кисневий конвертер має суцільне дно і кисневе дуття подається зверху за допомогою кисневої фурми, що вводиться в конвертер через горловину.

Спочатку в конвертер завантажують тверду шихту (металевий лом, руду, окалину), потім заливають розплавлений чавун, додають флюси і починають продування киснем.

В результаті окислення домішок чавуну киснем температура досягає 2000°С, тому процес не потребує додаткового палива.

Після закінчення продувки одержана сталь розкислюється і зливається з конвертера через спеціальний отвір, а шлак - через горловину.

Одержана цим способом сталь за якістю не поступається мартенівської. При цьому зберігаються всі переваги конвертерного способу отримання сталі, з'являється можливість використовувати металеві відходи, регулювати процес за рахунок зміни складу твердої шихти.

2.3 Виробництво сталі мартенівським способом

При мартенівському способі сталь виплавляється в мартенівських печах за рахунок нагріву шихти і плавлення металу спалюванням рідкого або газоподібного палива.

Залежно від складу шихти розрізняють скрап-процес і рудний процес.

При скрап-процесі шихта складається з металевого лому (приблизно 75%) і твердого чавуну у вигляді чушок. Цей процес застосовується там, де є сталевий лом - на машинобудівних заводах. Такий різновид мартенівського процесу має назву - плавка на твердій шихті.

При рудному процесі в піч заливається рідкий чавун і додається 20-25% руди. Окислення домішок чавуну йде за рахунок кисню руди. Оксиди кремнію, марганцю і інших елементів, що утворюються, переходять в шлак, вуглець у вигляді СО, СО₂ в газову фазу. Рудний процес застосовується на великих металургійних заводах з повним циклом, де є рідкий чавун.

Використовують також скрап-рудний процес, при якому шихта складається з руди, рідкого чавуну і металевого лому.

Основною характеристикою мартенівської печі є її місткість - кількість сталі, що виплавляється за одну плавку. Мартенівські печі мають місткість від 50 до 500 т і більше.

Перевага мартенівського способу виробництва сталі в отриманні якісного металу заданого хімічного складу, можливість виплавки сталей будь-якої марки, навіть легованих.

Недоліком способу є неможливість повного видалення сірки і фосфору і наявність в сталі газових включень.

Мартенівську сталь одержують в полум'яній печі, де спалюють газоподібне (суміш генераторного, колошникового або коксівного газів) або рідке (нафта, мазут) паливо. Для підтримки горіння в піч подається підігріте повітря.

Основна частина мартенівської печі - робочий простір, куди завантажуються шихтові матеріали і де проводиться плавка. Завантаження шихти проводиться через спеціальні вікна.

Регенератори для підігріву повітря і палива, мають вигляд камер, викладених зсередини вогнетривкою цеглою та утворюють насадку з вертикальними каналами. Регенератори в нижній частині сполучені каналами,по яких поступають повітря і газ і відводяться продукти горіння. Періодично напрями подачі палива і відведення продуктів горіння змінюється.

У разі вживання газоподібного палива використовуються по два регенератори з кожної сторони: в одному підігрівається повітря, в іншому - паливо. Печі, що опалюються рідким паливом, мають по одному регенератору - для підігріву повітря, а паливо подається в піч форсунками.

З робочого простору мартенівської печі продукти горіння, що мають температуру біля 1600 °С, поступають в регенератори, і нагрівають їх насадки до температури 1000-1200 °С.

Через нагріті регенератори, розташовані по іншу сторону печі, проходять газоподібне паливо і повітря. Останні нагріваються до температури 900-1000 °С і поступають в мартенівську піч.

У піч завантажують шихтові матеріали, подають паливо і повітря. Потрапляючи в піч гаряче повітря і паливо утворюють факел. Температура в робочому просторі підіймається до 1700-1800 °С.

Мартенівський процес підрозділяється на три періоди: плавлення (тривалість 3-5 годин), кипіння (1-3 годин) і розкислювання. Загальна тривалість плавки стали в мартенівських печах 5-8 годин.

2.4 Виплавка сталі в електропечах

Для отримання високоякісних сортів сталі застосовуються електричні печі, в яких температура досягає 3000 °С. Це дає можливість краще видаляти шкідливі домішки - сірку і фосфор. Висока температура, можливість регулювати її в широких межах дозволяють виплавляти сталі, що містять тугоплавкі елементи.

Електрична плавка не вимагає подачі в піч повітря, окислювальна здатність печі невисока, кількість оксиду заліза незначна. В електросталі міститься значно менша кількість шлакових включень і розчинених газів.

Електричні печі для виплавки сталі підрозділяються на дугові, індукційні і печі опору.

Дугова електрична піч має сталевий кожух і всередині викладена вогнетривкою цеглою. Зверху через свод печі пропущені електроди (вугільні або графітні). Спереду в печі знаходиться оглядове вікно, а ззаду - отвір з жолобом для випуску сталі і шлаку. Завантаження печі ведеться зверху. Для плавки сталі частіше використовують дугові електропечі.

Індукційна електропіч це тигель з вогнетривкого матеріалу, який оточений мідною трубчастою спіраллю (індуктором), до якої подається електричний струм високої частоти, який нагріває і розплавляє метал. Під дією електричного струму відбувається циркуляція металу, що забезпечує отримання однорідної сталі заданого складу.

Електричні печі опору мають нагрівальні елементи, через які пропускається електричний струм. Тепло, що утворюється при цьому, передається металевій ванні.

Електричні печі бувають з кислою (динас і кварц) і основною (хромомагнезит) футеровкою. Найбільш поширені печі з основною футеровкою.

Виробництво сталі в дугових електропечах

Шихта для отримання сталі в електричних печах є високоякісний металевий лом (до 90%), чавун (до 10%), невелика кількість руди або окалини для окислення домішок. В якості флюсу застосовується вапняк (в основному процесі) або кварцит (в кислому).

Піч завантажується шихтою. Потім на електроди подають електричний струм, який створює дугу. Енергія, що виділяється при цьому, нагріває і розплавляє шихту.

В окислювальний період плавки кисень руди окислює залізо і домішки металевої ванни (окрім сірки) і переводить їх в шлак. Окислений фосфор міцно зв'язується в шлаку вапном. Шлак 2-3 рази за плавку скачується, для того, щоб фосфор шлаку не переходив в метал.

У відновлювальний період йде навуглецьовування металу (якщо кількість вуглецю недостатня), розкислювання сталі і видалення сірки. Для навуглецьовування в піч після скачування шлаку додають електродний бій, кокс, іноді деревно-вугільний чавун. Розкислювачем є дрібнокускове вапно, мелений феросиліцій і кокс. Сірка ошлаковується вапном.

Остаточне розкислювання проводиться феромарганцем і феросиліцієм.

При виплавці легованих сталей протягом розкислювального періоду плавки вводять легуючі домішки у вигляді феросплавів: ферохром, ферованадій та інші.

Для здешевлення виробництва високоякісних сталей застосовується дуплекс-процес, сутність якого полягає в тому, що плавку сталі починають в конвертері або мартенівській печі, а потім одержану сталь очищають від шкідливих домішок, оксидів, шлакових включень і розчинених газів в електричній печі.

2.5 Розливання сталі

При всіх способах виробництва рідка сталь випускається в розливний ківш, виконаний з листової сталі і футерований вогнетривкою цеглою. Місткість розливного ковша повинна вміщати всю плавку. В днищі ковша є отвори, які закриваються або вогнетривкими пробками, укріпленими на стрижнях, або шиберними затворами.

З ковша сталь розливають у виливниці - чавунні форми з гладкою внутрішньою поверхнею для полегшення витягання зливка і щоб уникнути утворення на ньому тріщин. Перед заповненням виливниці рідкою сталлю її стінки змащують кам'яновугільною смолою. При заливці металу смола згоряє, і утворюються гази, які перешкоджають попаданню шлаку між тілом зливка і стінками виливниці.

Розливання рідкої сталі у виливниці може здійснюватися двома способами: розливанням зверху і сифоном.

Розливання зверху полягає в заливці сталі безпосередньо з ковша у виливниці.

Сифонне розливання сталі полягає в тому, що рідкий метал з ковша поступає в центральний вертикальний канал, сполучений горизонтальними каналами з декількома виливницями. Рідкий метал, проходячи по каналам, одночасно заповнює знизу всі виливниці. Цей спосіб розливання застосовується для зливків невеликої ваги.

Зараз широко використовується безперервне розливання сталі. Сталь з ковша через проміжний розливний пристрій потрапляє в кристалізатор, безперервно охолоджуваний водою. Перед заливкою металу в кристалізатор вводять металеву плиту, яка замінює дно кристалізатора, на якій починає кристалізуватися рідкий метал.

Потім включається механізм витягання і безперервний зливок витягується роликами з кристалізатора. В зоні охолоджування зливок охолоджується дрібними краплями води і далі розрізається на заготовки необхідної довжини.

Переваги безперервного розливання - підвищення якості зливка, зростання продуктивності, можливість механізації і автоматизації процесу.

2.6 Класифікація сталей

По хімічному складу сталь підрозділяється на вуглецеву і леговану.

Вуглецева сталь - сплав заліза з вуглецем (зміст вуглецю до 2%). Окрім заліза і вуглецю, до складу вуглецевої сталі входять також кремній, марганець, сірка і фосфор.

Вуглець в сталі знаходиться у вигляді цементіта. Із збільшенням вмісту вуглецю до 1,2% збільшуються твердість, міцність і пружність сталі, при цьому, зменшуються пластичність і ударна в'язкість, погіршуються оброблювальні і зварювальні якості.

Кремній в невеликих кількостях (звичайний вміст його в сталі 0,05-0,35%) не дуже впливає на властивості сталі. При підвищенні вмісту кремнію підвищуються пружність, корозійна стійкість і жаростійкість сталі.

У звичайній сталі вміст марганцю складає 0,3-0,8%; що мало впливає на її властивості. При високому вмісті марганцю сталь набуває твердість та зносостійкість.

Сіра - шкідлива домішка, що додає сталі червоноламкість і знижує корозійну стійкість. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,06%.

Фосфор (не більше 0,07%) додає сталі підвищену крихкість в холодному стані. Він трохи покращує оброблюваність сталі.

Кисень - шкідлива домішка, утворюючи закис заліза, який додає сталі крихкість.

По вживанню сталі діляться на сталі загального призначення, що йдуть на виготовлення деталей машин, і інструментальні, призначені для виготовлення інструментів.

Конструкційні стали містять іноді до 0,7% вуглецю. Ці сталі повинні володіти достатньою міцністю і пластичністю. Конструкційні сталі в свою чергу діляться на сталі звичайної якості і якісні.

Вуглецеві інструментальні сталі містять більше 0,7 % вуглецю. Порівняно великий вміст вуглецю додає цим сталям високу твердість і міцність.

Залежно від вмісту вуглецю сталі підрозділяються на три групи: низьковуглецеві (до 0,25% вуглецю), середньовуглецеві (0,25-0,6%) і високовуглецеві (0,6-2%).

Легованими називають сталі, до складу яких, окрім заліза, вуглецю і звичних домішок, входять легуючі елементи, що підвищують їх фізичні, хімічні і механічні властивості.

3 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО ФЕРОСПЛАВІВ

3.1. Вживання і способи отримання феросплавів

Феросплави це сплави заліза з легуючими елементами (V, W, Тi, Zг, Nb, Сг і ін.) або елементами-розкислювачами (Мn, Si і ін.). Їх використовують при виробництві сталі як розкислювачі і легуючі добавки для отримання необхідних властивостей металу і підвищення його якості.

В якості сировини для виробництва феросплавів використовують руди або концентрати, в яких необхідний метал міститься у вигляді оксидів. Процес отримання феросплавів полягає у відновленні оксидів різними відновниками, які мають більшу хімічну спорідненість до кисню, ніж відновлюваний метал. Процес відновлення полегшується, якщо відновлюваний метал утворює розчин із залізом, тобто феросплав, тому в шихту разом з рудою або концентратом і відновником додають залізну (сталеву) стружку або оксиди заліза (залізняк або концентрати).

При відновленні легуючого елементу відбувається окислення відновника, тобто при виробництві феросплавів здійснюється окислювально-відновні реакції, які можна представити наступними стехіометричними рівняннями:

1. Me + ½ O₂ = MeO

2. B + ½ O₂ = BO

3. МеО + B = BO + Me =-

де Me - легуючий елемент; B - елемент-відновник.

Оскільки мимовільно процес може протікати тільки у бік зменшення потенціалу Гіббса (<0), то реакція відновлення легуючого елементу реалізується у випадку, коли >. Вуглець, термодинамічна міцність оксиду якого з підвищення температури росте (на відміну від інших елементів), може відновлювати будь-який елемент в залежності від рівня температури.

В якості відновника можна використовувати вуглець, кремній і алюміній, що визначає назву процесів (вуглецевовідновний, алюмотермічний і силікотермічний). Для відновлення вуглецем потрібні витрати тепла, тому процес проводять в електричних феросплавних печах. При надмірному вмісті вуглецю в шихті одержують феросплави із значною концентрацією вуглецю. Ці феросплави називають високовуглецевими.

Силіко- і алюмотермічний способи застосовують для отримання низьковуглецевих феросплавів: феромарганцю, ферохрому, феровольфраму, ферованадію, феромолібдену, феробору і ін. Ці процеси, як правило, не вимагають витрат тепла, оскільки тепло при реакціях відновлення, що виділяється, достатнє для здійснення процесу. В цих випадках плавку ведуть так званим позапічним способом, в спеціальних шахтах з вогнетривкої цеглини. В шахту насипають подрібнену шихту з відновником, наприклад з порошком алюмінію, і запалюють за допомогою спеціальної суміші (селітри з магнієвою стружкою). Тепло, що виділяється при згоранні запальної суміші, достатньо для початку процесу відновлення, який розповсюджується на весь об'єм шихти. В результаті отримується рідкий метал і шлак.

3.2. Будова феросплавної печі

Феросплави отримують у спеціальних електричних печах - феросплавних або рудовідновних (руднотермічних). За призначенням феросплавні печі можуть бути відновними або рафінувальними, по конструкції - відкритими або закритими. Ванни печей можуть бути стаціонарними або обертаючими; форма ванн може бути круглою, прямокутною або овальною.

Нагрів і плавлення шихти у феросплавній печі відбуваються під дією тепла електричних дуг, що виникають між вугільними електродами і металевою ванною. Металевий кожух печі в горизонтальному перетині звично круглий (три електроди, розташовані трикутником) і іноді прямокутний (електроди, розташовані в ряд). Електроди (так звані самоспікаючи) складаються з металевого кожуха великого діаметру (900-1500 мм), який заповнюється електродною масою. Маса складається з термоантрациту, коксу, кам'яновугільної смоли і пеку. По мірі опускання електродна маса нагрівається, розм'якшується і щільно заповнює кожух. В зоні високих температур відбувається спікання маси в щільний вугільний електрод. У міру витрачання електрод поступово опускається, а верхню його частину нарощують (зваркою) черговою секцією без виключення струму. Самоспікаючи електроди значно дешевше вугільних.

Феросплавні печі є безперервно діючими агрегатами. З бункерів періодично зверху завантажують шихтові матеріали. З розвитком процесу рідкий метал накопичується на подіне і періодично випускається з печі.

3.3. Виробництво феросиліцію

У електричних печах виплавляють переважно феросиліцій марок ФС45 і ФС75. Феросиліцій ФС45 містить 40-47 % Si, <0,8 % Мn, 0,05 % Р, 0,03 % S, решта заліза. Феросиліцій ФС75 містить 74-80 % Si, < 0,7 % Мn, 0,04 % Р, 0,03 % S, решта заліза. Феросиліцій застосовують для розкислювання і легування сталі, а також як відновник при виробництві інших феросплавів і кольорових металів, що одержують металотермічним (силікотермічним) способом.

Сировиною для виплавки феросиліцію є кварцити (крупністю 25-80 мм), що містять > 95 % SiO₂ і < 0,02 % Р₂О₅. В якості відновника використовують металургійний коксик (крупністю 10-25 мм). Для поліпшення умов відновлення і отримання сплаву з потрібною концентрацією кремнію в шихту вводять подрібнену стружку вуглецевих сталей.

В процесі плавки відбувається нагрів і плавлення шихти; при цьому кремнезем відновлюється твердим вуглецем по реакції SiO₂ + 2С = Si + 2СО. Відновлюваний кремній розчиняється в рідкому залізі, утворюючи розплав з необхідною концентрацією кремнію. Окрім сплаву, утворюється невелика кількість шлаку (2-5 % від маси сплаву). Плавка ведеться безперервно, сплав випускають (12-15 разів на добу) в ківш і розливають в плоскі чавунні виливниці або в злитки на розливній машині.

Переглядів: 2074