книги из ГПНТБ / Технология металлов и конструкционные материалы учебное пособие

под давлением 0,9—1,5 МН/м2 (9—15 ат) подают с по­ мощью водоохлаждаемой фурмы, вводимой в конвертор

до 25 мин в зависимости от емкости конвертора. Про­ дувку заканчивают после достижения в металле требу­ емого содержания углерода. К этому времени, как пра­ вило, общее содержание в металле вредных примесей — серы и фосфора — доводится до пределов, требуемых для качественных марок сталей. После этого из конвертора удаляют кислородную фурму, конвертор наклоняют, про­ жигают сталевыпускное отверстие и выпускают металл в ковш. Для раскисления и легирования в сталеразли­ вочный ковш загружают ферросплавы и легирующие добавки. После выпуска металла через горловину из конвертора выливают оставшийся шлак в специальный шлаковый ковш. Общая продолжительность всей плавки от 30 до 60 мин в зависимости от емкости конвертора.

Продувка чугуна кислородом существенно улучшает температурные условия процесса и облегчает получение

30

стали с низким содержанием серы и фосфора, а также азота. По качеству кислородно-конверторная сталь не уступает металлу, выплавленному в мартеновских печах.

§ 9. Мартеновское производство

Мартеновское производство— это процесс получения стали методом окислительной плавки в мартеновских печах.

Мартеновская печь — пламенная регенеративная печь с горизонтальным . рабочим пространством. Для вы­ плавки стали в мартеновской печи может применяться как жидкий, так и твердый чугун. В отличие от кисло­ родного конвертора для выплавки стали в мартеновской печи недостаточно того тепла, которое выделяется в ре­ зультате экзотермических реакций окисления примесей чугуна. Поэтому в печь подводится дополнительное теп­ ло, получаемое в результате сжигания топлива в рабо­ чем пространстве. В качестве топлива применяют при­ родный газ, мазут, а также смесь доменного и коксового (образующегося при производстве кокса) газов.

Схема мартеновской печи показана на рис. 7. Мар­ теновская печь состоит из следующих основных частей: рабочего пространства 4 (ограниченного подом 7,сводом 3, передней стенкой с завалочными окнами Р, задней стен­

и отвода из него продуктов сгорания; шлаковиков (воз­ душных и газовых) — для осаждения содержащихся в продуктах сгорания пыли и частиц шлака; регенерато­ ров 6, 8 (воздушных и газовых) — для подогрева посту­ пающих в печь газа и воздуха за счет аккумуляции тепла выходящих из печи продуктов сгорания; боровов (кана­ лов) — для прохода продуктов сгорания; системы пере­ кидки клапанов; дымовой трубы. Мартеновская печь — агрегат симметричный: правая и левая ее стороны отно­ сительно вертикальной оси одинаковы по устройству. Топливо и воздух для горения поступают в ра1бочее про­ странство поочередно то с правой, то с левой стороны; продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны.

Проходя через регенераторы, горячие продукты сго­ рания нагревают огнеупорную насадку. Когда через эти

31

регенераторы направляются в печь холодные газ и воз­ дух, они нагреваются от горячей насадки.

Мартеновские печи сооружают емкостью до 900 т. С 1961 г. в СССР работают самые крупные в мире печи. Наибольшее распространение получили две разновидно­ сти мартеновского процесса: скрап-рудный, при котором

Продукты

сгорания

В

Рис. 7. Схема мартеновской печи

основной составляющей шихты является чугун, и скраппроцесс, при котором основной составляющей шихты яв­ ляется металлический лом. Как правило, при скрапрудном процессе чугун применяется в жидком ' виде, скрап-процесс осуществляется целиком на твердых ших­ товых материалах. Кислый мартеиовокий процесс в по­ следние годы находит все меньшее распространение.

Вкислых печах проводится только скрап-процесс. Процесс плавки при скрап-рудном варианте состоит

из следующих периодов: завалка твердых шихтовых ма­ териалов (железная руда, известняк, скрап); прогрев; заливка жидкого чугуна; плавление, кипение; раскисле­ ние и легирование; выпуск металла. Во время плавления в результате реакций окисления примесей формируется шлан. К моменту полного расплавления всей шихты от­ бирается проба металла на химический анализ. После спуска первичного шлака и наводки нового с помощью извести в металле достигается нужное содержание фос­ фора. Если его содержание превышает допустимое, то операция спуска и паводки нового шлака повторяется

32

несколько раз. Период кипения предназначен для дове­ дения состава металла (главным образом по содержа­ нию углерода) до требуемого и нагрева металла до температур, обеспечивающих дальнейшую разливку. Главной реакцией этого периода является реакция окис­ ления углерода 2 С + 0 2= 2 С 0 . Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырей всплывает через толщу металла, проходит шлак и удаляется в атмосферу печи. Процесс выделения пузырей СО создает .впечатление ки­ пения. Этот процесс позволяет перемещать всю толщу металла, приводит к выравниванию химического соста­ ва металла, а также ускоряет процесс нагрева металла по всей высоте ванны и очищает металл от находящихся в нем газов и неметаллических включений. В этот же период происходит реакция удаления серы из металла.

В момент, когда будет достигнуто требуемое содержа­ ние углерода в металле, его раскисляют — вводят веще­ ства, которые легче соединяются с кислородом, чем углерод. При выплавке легированных сталей в этот же период в металл вводят легирующие добавки. После не­ продолжительной выдержки открывают сталевыпускное отверстие, расположенное в середине нижней части зад­ ней стенки, и готовую сталь выпускают по желобу

всталеразливочный ковш.

Впоследние годы получили большое распространение различные способы интенсификации мартеновской плав­ ки. Широко используется кислород как для интенсифи­ кации процесса горения топлива в печи, так и для непо­ средственной продувки металла по типу продувки в кис­ лородном конверторе. Для этого через свод печи к по­ верхности металла опускают водоохлаждаемые кисло­ родные фурмы.

Работа мартеновских печей в значительной степени автоматизироваиа.

Основными показателями, характеризующими рабо­ ту мартеновской печи, являются годовая производитель­ ность и съем стали с 1 м2 площади пода. Годовая произ­ водительность— это количество стали, выплавленной в течение года на данной печи. Производительность крупных печей превышает 0,5 млн. т стали в год. Съем стали характеризует интенсивность работы различных печей и исчисляется отношением суточного производства стали к площади пода печи.. Обычно съем стали состав­ ляет 12—13 т/(м2 -сут).

§ 10. Плавка стали в электрических печах

Выплавка стали с использованием электроэнергии в ка­ честве источника тепла имеет ряд преимуществ перед другими способами получения стали. При использова­ нии электроэнергии представляется возможным подво­ дить тепло непосредственно к зонам реакции; развивать высокие температуры, что способствует ускорению плав­ ки, наводке высокоизвестковистых шлаков и получению

свод, через который в печь вводятся три электрода для подвода электротока. Современ­ ные дуговые печи имеют съем­ ный свод, что позволяет загру­ жать шихту практически в один прием сверху. Печь имеет рабо­ чее окно, сталевыпускное отвер­ стие. Опирается печь на шаро­ вые сегменты и с помощью спе­ циального механизма поворота может наклоняться в сторону рабочего окна для спуска шлака и в сторону разливочного проле­ та для выпуска металла.

Электрический ток поступает от печного трансформатора на угольные или графитизированные электроды. Между электродами и шихтой или жидкой ванной воз­ никает электрическая дуга, © ре­ зультате чего в рабочем простран­

стве печи развиваются высокие температуры (до 2500°С). Электроды удерживаются электрододержателями, кото­ рые могут автоматически изменять длину дуги в зависи­ мости от потребностей процесса.

34

Печи работают на трехфазном токе при напряжении ~200—400 В, ток измеряется десятками тысяч ампер.

Плавка в дуговой печи состоит из следующих основ­ ных периодов: завалка шихты, плавление, окислитель­ ный и восстановительный периоды и выпуск.

Как правило, печи работают на твердой шихте, в со­ став которой в основном входят стальной лом и легиро­ ванные ртходы. В окислительный период происходит вы­

удаление серы и легирование.

Современные дуговые печи строят емкостью до 400 т. Длительность плавки 4— 6 ч. Для интенсификации про­ цесса плавки применяют продувку металла кислородом. Расход электроэнергии на выплавку 1 т стали составля­ ет 600—1000,кВт-ч.

Индукционная печь состоит из огнеупорного тигля, вокруг которого устроена водоохлаждаемая индукцион­ ная обмотка. При прохождении по обмотке тока высокой частоты (до 10000 Гц и больше) возникает магнитный поток, который, пронизывая металлошихту, наводит в ней вихревые токи (токи Фуко); одновременно происхо­ дит интенсивный напрев металла в тигле.

Индукционные печи имеют определенные преимуще­ ства перед дуговыми печами: отсутствие электродов и дуг позволяет выплавлять металл с низким содержанием углерода и газов; металл в тигле постоянно подвергает­ ся перемешиванию под воздействием электромагнитного поля. Процесс плавки в индукционной печи длится 1— 2 ч. Плавка сводится в основном к расплавлению леги­ рованных отходов, раскислению и легированию. Очень важно для плавки в индукционной печи точно рассчи­ тать шихту, так как в процессе самой плавки корректи­ ровать состав металла практически не представляется возможным. Индукционные печи имеют тигли емкостью от нескольких килограммов до нескольких тонн.

§ И. Раскисление стали

При выплавке стали в открытых сталеплавильных агре­ гатах к концу плавки металл в значительной мере на­ сыщается кислородом. Для того чтобы исключить влия­ ние этого кислорода на последующее окисление приме­

сей, сталь раскисляют. Для этого в металл вводят эле* менты-.раскислители, соединяющиеся с кислородом зна­ чительно легче, чем углерод и железо. В качестве раскислителей наибольшее распространение получили крем­ ний, марганец и алюминий. По степени раскисленное™ стали подразделяют на спокойные, кипящие и полуспо-

койные.

Спокойная сталь — это сталь полностью .раскислен­ ная. При последующей разливке в изложницы эта сталь кристаллизуется спокойно, без видимого бурления.

такой стали начинает протекать реакция FeO +C ='C O + +Fe, в результате которой образуются пузырьки газа СО. Эти пузырьки вырываются на поверхность, создают видимость кипения. Процесс застывания кипящей стали в изложницах протекаете бурлением.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное поло­ жение между спокойной и кипящей сталью.

§ 12. Разливка стали

Из сталеплавильных печей полученную сталь выпуска­ ют в сталеразливочный ковш (рис. 9), предназначенный также для последующей разливки металла в слитки или заготовки. Кожух ковша выполняется из листовой ста­ ли. Изнутри ковш футеруется шамотным кирпичом. В днище ковша имеется отверстие, в которое для каж­ дой плавки вставляется огнеупорный сталеразливочный стакан; через отверстие стакана осуществляется разлив­ ка стали из ковша.

Для перекрытия отверстия в стакане и прекращения разливки стали в ковше на каждую плавку устанавли­ вается стопор, который через специальный механизм крепится к наружной стенке ковша. С помощью системы рычагов стопор может опускаться и подниматься; п,рн этом отверстие в стакане будет закрываться или откры­ ваться. ■^

В настоящее время существуют три способа разливки: разливка стали по изложницам сверху и сифоном и раз­ ливка стали в заготовки на машинах непрерывного литья.

36

При разливке сверху каждая изложница (чугунная форма для получения слитков) наполняется раздельно (рис. 1 0,а); при сифонной разливке происходит одновре­ менное наполнение нескольких изложниц; при этом

в каждую изложницу сталь поступает снизу, через от­ верстие в дне изложницы (рис. 1 0, б ).

При разливке стали на машинах непрерывного литья (рис. 1 1 ) металл из промежуточного ковша поступает в бездонную водоохлаждаемую изложницу — медный кри­ сталлизатор с двойными стенками, между которыми цир­ кулирует вода для охлаждения. Внутреннее сечение кри­ сталлизатора имеет форму формируемой непрерывной заготовки. В кристаллизаторе в результате быстрого охлаждения образуется наружная твердая коржа заго­ товки, внутри которой еще остается жидкий металл. По мере выхода из кристаллизатора слиток попадает в зону вторичного охлаждения, где он обильно снаружи поли­ вается водой. В результате этого происходит затвердева­ ние центральной части заготовки. Движение заготовки вниз осуществляется с помощью системы тянущих роликов. После роликов непрерывную заготовку с по­ мощью газового резака разрезают на мерные длины.

Образующиеся в результате разливки стали сталь­ ные слитки или заготовки определенной длины подвер­ гают последующей обработке путем прокатки или ковки.

Кристаллизация стали. В изложницах сталь затвер­ девает в форме кристаллов древовидной формы—дендрн- тов. Тепло от кристаллизующегося слитка отводится че­

37

рез стенки изложницы и поэтому затвердевание жидкой стали начинается у стенок изложницы. Толщина затвер­ девшего слоя непрерывно растет в направлении к цент­ ру слитка.

стали. Здесь можно отметить следующие зоны: / — кор­ ковый слой мелких кристаллов, образовавшийся непо­

столбчатых кристаллов, располагающихся перпендику­ лярно к стенке изложницы. Внутри слитка располагается зона 3 — зона крупных неориентированных кристаллов, образовавшаяся в результате примерно одинакового отвода тепла из этой части слитка во все стороны.

При остывании слитка спокойной стали металл дает усадку (уменьшается в объеме). В результате этого

38

надставки, в которых металл затвердевает в 'последнюю очередь, что способствует выводу сюда усадочной рако­ вины.

Слиток кипящей стали имеет следующие зоны: 1 ) плотная на/ружная корочка; 2 ) зона сотовых пузы­ рей, образующаяся в результате застревания между кристаллами газовых пузырей СО; .3) промежуточная плотная зона; 4) зона вторичных неориентированных пузырей и 5) срединная зона. Концентрированной уса­ дочной рановины в слитке кипящей стали не образует­ ся; усадка здесь рассредоточена по многочисленным га­ зовым полостям.

Слитки-заготовки, получаемые на машинах непре­ рывного литья, .имеют более однородную структуру.

Г л а в а IV

ПРОИЗВОДСТВО ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

§ 13. Производство меди

Наиболее ценным свойством меди является ее электро­ проводность, чем меньше металл содержит примесей, тем выше электропроводность. Поэтому для токопрово­ дящих элементов (проволока, шины) применяют медь высших марок М00, МО и Ml по ГОСТ 859—66 с содер­ жанием Си>99,9%. Менее чистая медь, содержащая больше примесей, идет на производство сплавов — лату­ ней и бронз.

Медь получают из руд с содержанием этого металла не ниже 0,5%. В природе встречаются около 30—40мед­ ных минералов. Из сульфидных минералов наиболее, распространен халькопирит CuFeS2.

Если для получения одной тонны чугуна перерабаты­ вается до 2,5 т железной руды, то для производства од­ ной тонны меди — до 2 0 0 т меднойфуды.

Получают медь из сульфидных руд по следующей схеме:

1. Дробление руды в дробилках с последующим из мельчением в шаровых мельницах.

39