Рафинирование сталей и чугунов

ФГБОУ ВПО «Владимирский  государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Кафедра «Литейные процессы и конструкционные материалы»

 

 

 

Реферат

По дисциплине «Внепечная обработка расплавов»

Тема: Рафинирование сталей и чугунов.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. Лч-108

Корнев А.А.

 

Принял:

Шаршин В.Н.

 

 

Владимир, 2012

Содержание:

Введение………………………………………………….………………..……3

1. Рафинирование стали……………………………………….………….………5
2. Рафинирование чугуна…………………………………………………..……..8
3. Рафинирование на сегодняшний день……………………………….……..….9 
   Литература………………………………………………………………………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

В металлических  расплавах всегда присутствуют примеси. Это прежде всего примеси металлов и элементов, находящиеся в растворенном состоянии. Значительную долю составляют примеси газов, также находящиеся в растворе. Наконец, определенное количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых инородных частиц. Подобными частицами могут быть оксиды основного и легирующих компонентов приготовляемого сплава, а также их   карбиды  и   нитриды.   К  подобным  примесям  относятся  также частицы шлаков,  флюсов,  огнеупорной футеровки.

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела. Однако в некоторых случаях подобные процессы приходится проводить и в литейном производстве.

В данном реферате разобрана  тема рафинирование чугунов и  сталей. С начало бы хотелось рассказать немного о самом рафинировании.

Рафинирование металлов, очистка  первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96—99% основного металла, остальное  приходится на примеси. Такие металлы  не могут использоваться промышленностью  из-за низких физико-химических и механических свойств. Примеси, содержащиеся в черновых металлах, могут представлять самостоятельную  ценность. Так, стоимость золота и  серебра, извлекаемых из меди, полностью окупает все затраты на рафинирование. Различают 3 основных метода рафинирования: пирометаллургический, электролитический и химический. В основе всех методов лежит различие свойств разделяемых элементов: температур плавления, плотности, электроотрицательности и т.д. Для получения чистых металлов нередко используют последовательно несколько методов рафинирования.

Пирометаллургическое рафинирование, осуществляемое при высокой температуре  в расплавах, имеет ряд разновидностей. Окислительное рафинирование основано на способности некоторых примесей образовывать с О, S, Cl, F более прочные соединения, чем соединения основного металла с теми же элементами. Способ применяется, например, для очистки Cu, Pb, Zn, Sn. Так, при продувке жидкой меди воздухом примеси Fe, Ni, Zn, Pb, Sb, As, Sn, имеющие большее сродство к кислороду, чем Cu, образуют окислы, которые всплывают на поверхность ванны и удаляются. Ликвационное разделение основано на различии температур плавления и плотностей компонентов, составляющих сплав, и на малой их взаимной растворимости. Например, при охлаждении жидкого чернового свинца из него при определённых температурах выделяются кристаллы Cu (т. н. шликеры), которые вследствие меньшей плотности всплывают на поверхность и удаляются. Способ применяется для очистки чернового свинца от Cu, Ag, Au, Bi, очистки чернового цинка от Fe, Cu, Pb, при рафинировании Sn и др. металлов. При фракционной перекристаллизации используется различие в растворимости примесей металла в твёрдой и жидкой фазах с учётом медленной диффузии примесей в твёрдой фазе. Способ применяется в производстве полупроводниковых материалов и для получения металлов высокой чистоты (например, зонная плавка, плазменная металлургия, вытягивание монокристаллов из расплава, направленная кристаллизация). В основе ректификации, или дистилляции, лежит различие в температурах кипения основного металла и примеси. Рафинирование осуществляется в форме непрерывного противоточного процесса, в котором операции возгонки и конденсации удаляемых фракций многократно повторяются. Использование вакуума позволяет заметно ускорить рафинирование. Способ применяется при очистке Zn от Cd, Pb от Zn, при разделении Al и Mg, в металлургии Ti и др. процессах. Вакуумная фильтрация жидкого металла через керамические фильтры (например, в металлургии Sn) позволяет удалить взвешенные в нём твёрдые примеси. При рафинирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками поверхность контакта между металлом и шлаком в результате их перемешивания значительно больше, чем при проведении рафинировочных процессов в плавильном агрегате; благодаря этому резко повышается интенсивность протекания десульфурации, дефосфорации, раскисления металлов, очищения его от неметаллических включений. Рафинирование стали продувкой расплава инертными газами используется для удаления из металла взвешенных частиц шлака или твёрдых окислов, прилипающих к пузырькам газа и флотируемых на поверхность расплава.

 

Электролитическое рафинирование, представляющее собой электролиз водных растворов или солевых расплавов, позволяет получать металлы высокой  чистоты. Применяется для глубокой очистки большинства цветных  металлов. Электролитическое рафинирование с растворимыми состоит в анодном растворении очищаемых металлов и осаждении на катоде чистых металлов в результате приобретения ионами основного металла электронов внешней цепи. Разделение металлов под действием электролиза возможно вследствие различия электрохимических потенциалов примесей и основного металла. Например, нормальный электродный потенциал Cu относительно водородного электрода сравнения, принятого за нуль, + 0,346, у Au и Ag эта величина имеет большее положительное значение, a y Ni, Fe, Zn, Mn, Pb, Sn, Co нормальный электродный потенциал отрицателен. При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитной ванны в виде шлама, а металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают. Иногда (например, в гидрометаллургии Zn) используют электролитическое рафинирование с нерастворимыми анодами. Основной металл находится в растворе, предварительно тщательно очищенном от примесей, и в результате электролиза осаждается в компактном виде на катоде.

 

Химическое рафинирование  основано на различной растворимости  металла и примесей в растворах  кислот или щелочей. Примеси, постепенно накапливающиеся в растворе, выделяются из него химическим. путём (гидролиз, цементация, образование труднорастворимых соединений, очистка с помощью экстракции или ионного обмена). Примером химического рафинирование может служить аффинаж благородных металлов. рафинирование Au производят в кипящей серной или азотной кислоте. Примеси Cu, Ag и др. металлов растворяются, а очищенное золото остаётся в нерастворимом осадке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рафинирование стали.

Рафинирование стали - это  процесс удаления из жидкой стали  вредных и нежелательных примесей. Процесс рафинирования стали  может осуществляться как в печи, так и вне печи (внепечное рафинирование  стали), в ковше, а также в специальных  агрегатах (например - вакууматор). Рафинирование стали могут проводить добавлением окислителей и восстановителей, продувкой расплава стали инертными газами и др.

Процесс рафинирования стали  включает в себя целый комплекс операций, направленный на очищение стали от лишних примесей. В случае необходимости  применяют комбинированные методы обработки, включающие в себя сразу  несколько способов рафинирования  стали, например раскисление, модифицирование или удаление неметаллических включений, десульфурация, дегазация (удаление азота и водорода) и т.д.

Внепечное рафинирование  стали - рафинирование стали вне  сталеплавильного агрегата. Так как  затруднительно проведение рафинирования  стали в крупных и высокопроизводительных сталеплавильных агрегатах, то многие технологические операции рафинирования  стали проводят за пределами агрегата (печи). Внепечное рафинирование  стали технологически осуществляется гораздо легче. При непрерывной  разливке стали также удобнее  использовать методы внепечного рафинирования. Рафинирование стали в установках печь-ковш обеспечивает массовое производство металла особо высокого качества. В результате внепечного рафинирования  сталь имеет однородный состав, высокие  характеристики пластичности, вязкости и трещиностойкости. Одновременно рафинированием практически полностью подавляется флокеночувствительность стали .

С помощью внепечного рафинирования, помимо прочих, решается сложная задача введения в расплав летучих, легкоокисляемых, труднорастворимых и токсичных элементов.

 

Рафинирование чугуна.

Рафинирование чугуна - очистка чугуна от вредных (преимущественно S, Р) и нежелательные (например Si) компонентов. Осуществляется вне доменной печи. Внепечное рафинирование чугуна ведут разными способами: в струе металла с применением транспортир, газов и механических мешалок, и разлив, ковшах, на специальных стендовых установках. Возможно выборочное рафинирование с удалением одного компонента (де-сульфурация, дефосфорация, обескремнивание и др.) или комплексное рафинирование с одновременным или последовательным удалением нежелательных компонентов. Обессеривание или процессы внепечной десульфурации дифференции по виду применения десульфураторов, технологии подачи десуль-фуратора в обрабатываемый металл. В качестве реагентов-десульфураторов применяют: домен, шлак, кальцинированную соду (порошковую, гранулированную, брикетированную), известь, карбид кальция, магний металлический, а также некоторые комплексные реагенты на основе перечисленных веществ.

 Десульфурация чугуна идет по реакции: [FeS] + СаО = (FeO) + (CaS),

где [FeS] — содержание S в чугуне;

СаО - содержание (расход) реагента-десульфуратора;

(FeO), (CaS) — содержание FeO и CaS в шлаке.

 Процесс дефосфорации чугуна сводится к окислению фосфора и связывает Р2О5 в прочные соединения в шлаковой фазе. Чугун дефосфорирует комплекс, реагентами, содержащий известь, плавиковый шпат, хлориды кальция и железа, соду, оксиды железа.

 Процесс обескремнивания идет окислением кремния соответственно реагентами (кислородом, окалиной, железной рудой) по реакции: [Si] + FeO = (SiO2) + (FeO),

где [Si] — содержание кремния в чугуне;

FeO — расход реагента-окислителя; (SiO2),

(FeO) — содерж. компонентов в шлаке;

Рафинирование на сегодняшний день.

Весьма эффективно внепечное  вакуумирование жидкой стали, осуществляемое различными способами в процессе разливки и позволяющее повысить качество металла, увеличить производительность сталеплавильных агрегатов и снизить расход раскислителей и легирующих материалов. Способ внепечного вакуумирования (в ковше, при переливании из ковша в ковш, порционный и циркуляционный способы) определяется массой плавки и назначением стали.

Практика работы некоторых  заводов подтвердила, что при  вакуумировании жидкой стали в камерах с высокой степенью разрежения улучшаются качество поверхности проката конструкционных и магнитные свойства электротехнических сталей, повышается чистота шарикоподшипниковой стали по неметаллическим включениям и т.д.

Развитие процесса внепечного вакуумирования жидкой стали позволит усовершенствовать процессы термической обработки легированного металла, а при производстве кипящей стали — улучшить качество металла, полученного на установка непрерывной разливки стали.

Количество стали, вакуумированной внепечным способом, в девятой пятилетке намечено увеличить в несколько раз. В ближайшие годы предусмотрено значительно увеличить мощности для внепечного вакуумирования жидкой стали и в первую очередь обеспечить обработку электротехнической стали, стали для автомобильного листа и стали, предназначенной для других целей с использованием глубокой вытяжки, шарикоподшипниковой и конструкционных легированных фло-кеночувствительных сталей, а также рельсовой и колесной.

В ближайшие годы предусмотрено  установить ряд агрегатов для  внепечного вакуумирования стали порционным и циркуляционным методами в ковшах емкостью 100—130 т, а также для вакуумирования в ковше с электромагнитным перемешиванием металла.

Намечено ввести в действие установки для внепечного вакуумирования стали в конвертерных цехах Челябинского и Ново-Липецкого металлургических заводов, в мартеновских цехах Магнитогорского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, металлургических заводов «Запорожсталь», Коммунарского, Ждановского им. Ильича и др. В новом конвертерном цехе № 2 Ново-Липецкого металлургического завода будут осуществлять внепечное порционное вакуумирование плавок массой 350 г. Предусматривается электрический обогрев камеры вакуумирования.

Внепечное вакуумирование обеспечивает в углеродистой стали с 0,2% С не более 0,001% О2, не более 0,0008% N2 и не более 0,000095% Н2; в углеродистой стали с 0,35% С содержание кислорода на 17,5% ниже, общее количество включений на 29% меньше, уровень механических свойств на 10—15% выше, чем в невакуумированной стали. Вакуумированиая рельсовая сталь не склонна к образованию флокенов.

По данным Уралмашзавода, вакуумирование мартеновской стали при разливке ее в крупные слитки позволило снизить содержание водорода на 50—60% (с 3,93 до 1,76 см3 на 100 г металла), азота на 22—25% (с 0,0051 до 0,0039%). При вакуумировании металла степень его загрязнения неметаллическими включениями значительно уменьшается, изменяется состав этих включений и распределение по сечению слитка, что улучшает качество поковок. Время охлаждения поковок после их термической обработки было сокращено на 30% вследствие пониженной флокеночувствительности, связанной с пониженным содержанием водорода после вакуумирования.

Дополнительные эксплуатационные и капитальные затраты на внепечное вакуумирование стали для поковок составили на Уралмашзаводе соответственно 1,5 и 4,6 руб. на 1 т стали, а экономия от сокращения брака поковок и длительности термической обработки выразилась в 36 руб. на 1 т стали.

По результатам работы, выполненной на заводе «Электросталь», установлено, что применение внепечного вакуумирования легированной стали марок 18Х2Н4ВА и Х18Н10Т снижает содержание кислорода, водорода и азота на 44,5; 40 и 31% соответственно. Поражённость внутренними дефектами, выявляемыми при ультразвуковом контроле, сокращается вдвое; сопротивление ударным нагрузкам в готовых изделиях возрастает на 12,5%; усталостная прочность увеличивается на 10—12%.