Полезные ископаемые

В конвертерах получают в основном сталь обыкновенного качества, которую в большом количестве применяют для изготовления листового и сортового проката для строительства, кровельной стали, проволоки, болтов общего назначения и др.

Применение кислородного дутья в конвертерах улучшает качество выплавляемой стали, за счет уменьшения в ней содержания азота. Кислород под давлением 6 – 9 кгс/см2 вводят в конвертер (рис.5) сверху через охлаждаемую водой фурму 2. Фурма не доходит до поверхности 2 перерабатываемого металла на 600 мм и более и может перемещаться в вертикальном направлении.

Струя кислорода проникает в металл на небольшую глубину, в результате чего металл начинает кипеть и пениться, появляются брызги и металлическая пыль, что создает условия для быстрого окисления углерода и примесей. Продувка длится не более 15 мин. Готовую сталь выпускают через отверстие 3, которое во время продувки закрыто глиняной пробкой. Для выпуска стали конвертер переводят в наклонное положение.

В таких конвертерах можно перерабатывать чугун любого состава, стальной лом и другие твердые добавки.

Рисунок 5 - Конвертер с кислородным дутьем

 

 

В кислородных конвертерах получают сталь, не уступающую по качеству мартеновской стали, а иногда и стали, полученной в электрических печах. Себестоимость полученной стали ниже, а производительность труда на 30 % выше, чем при ее выплавке в мартеновских печах. Этим объясняется предстоящее увеличение выплавки стали в кислородных конвертерах.

Выплавка стали в мартеновских печах (предложена французами П. и Э. Мартенами в 1865 г.) отличается от ее выплавки в конвертерах более высокой температурой в плавильном пространстве мартеновской печи, что позволяет перерабатывать в ней не только чугун, но и стальные отходы и лом. Для мартеновской печи топливом служат газ и мазут.

На рис. 6, а показана схема мартеновской печи, работающей на газообразном топливе. В плавильное пространство 4,которое со всех сторон выложено огнеупорным кирпичом, через окна 3 загружают шихту. По каналам 2 поступает воздух и газ, который при горении выделяет тепло для расплавления шихты. Температура в плавильном пространстве доходит до 1700 – 1800 °С. По каналам 2 в левой головке печи продукты горения топлива отводят из плавильного пространства в специальное устройство — регенератор 8, кирпичной кладке которого они отдают тепло. Из регенератора продукты горения через дымовую трубу уходят в атмосферу.

При повороте клапанов 9 (рис. 6, б) направление отходящих газов изменяется на обратное и осуществляется нагревание регенератора 6. В это же время регенератор 5 отдает накопленное тепло воздуху и газу, направляемым в печь. Потоки газов изменяют направление через каждые 10 – 15 мин. Готовую сталь выпускают через отверстия в задней стенке печи. Емкость мартеновских печей достигает 900 т. Продолжительность одной плавки около 6 ч.

В зависимости от перерабатываемой шихты различают два основных вида мартеновского процесса. Если шихта состоит из 65 –

80 % стального лома и 20 — 35 % чушкового чугуна, то применяют скрап - процесс. Этот процесс распространен на заводах, где нет доменных печей.

Если сталь выплавляют на металлургических заводах, где имеются доменные печи, то шихта состоит из жидкогопередельного чугуна (85 – 90 %) и небольшого количества стального лома и железной руды. Процесс плавки в этом случае называется скрап-рудным.

Использование кислородного дутья в мартеновских печах увеличивает их производительность на 15 – 20 %, а также улучшает качество выплавляемой стали. Кислород вводят либо в струю газа, либо в расплавленный металл.

Применение в качестве топлива природного газа повышает производительность мартеновских печей на 2 – 4 % и снижает расход топлива на 5 – 6 %.

Рисунок 6 - Схема мартеновской печи на газообразном топливе

а – разрез, б – схема движения газа, воздуха и продуктов горения; 1– левая головка печи, 2 – каналы для воздуха, газа и продуктов горения, 3-загрузочные окна, 4 – плавильное пространство, 5 – правая головка печи, 6, 8 -регенераторы, 7 – под печи, 9 – клапаны.

 

 

Качество выплавляемой стали улучшается, так как в природном газе в отличие от мазута меньше вредных примесей.

Выплавка стали в электрических печах обеспечивает получение более качественной стали по сравнению с конвертерным и мартеновским способами. Впервые плавку металла с помощью электрической дуги осуществил академик В. В. Петров в 1802 г.

В плавильном пространстве электропечи поддерживается высокая температура (около 2000 °С), что дает возможность вводить в сталь тугоплавкие металлы. Применение раскислителей позволяет удалить почти целиком фосфор и серу и тем самым получать сталь высокого качества. Этим объясняется широкое применение электроплавки для получения качественных сталей. Шихта состоит из стального лома, чугуна и специальных добавок.

Электрические плавильные печи для стали разделяются на дуговые и индукционные.

Дуговая плавильная печь (рис. 7, а) состоит из стального кожуха 1, выложенного изнутри огнеупорным кирпичом. Сверху через специальные отверстия вводят графитовые электроды 2. Шихту загружают через загрузочное окно 3. При прохождении электрического тока между электродами и шихтой возникает электрическая дуга 7, которая создает высокую температуру, и шихта плавится. Готовую сталь выпускают через желоб 6 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотного устройства 5. Емкость дуговых печей изменяется в пределах от 0,5 до 250 т, а длительность одной плавки составляет 3 – 6 ч.

В индукционной плавильной печи (рис. 7, б) тепло создается токами высокой частоты, проходящими по обмотке —водоохлаждаемой медной трубке 9, расположенной вокруг огнеупорного тигля 8. При этом металл 4 нагревается в тигле и плавится. Емкость индукционных печей колеблется от 10 кг до 10 т. Продолжительность одной плавки составляет от 30 мин. до 2 ч 30 мин. Индукционные печи применяют для получения сталей, обладающих особыми свойствами (нержавеющей, жаростойкой, немагнитной, жаропрочной).

Рисунок 7 - Электрические плавильные печи

а – дуговая, б – индукционная; 1 – кожух, 2 – электроды, 3 – загрузочное окно, 4 – расплавленный металл, 5 – поворотное устройство, 6 – выпускной желоб, 7 – электрическая дуга, 8 – тигель, 9 – водоохлаждаемая трубка.

 

 

В конце плавки каждым из перечисленных способов проводят раскисление стали. По степени раскисленияразличают три вида стали: кипящую, спокойную и полу спокойную.

Кипящая сталь при остывании «кипит», т. е. из нее выделяется много газа. Такая сталь хорошо штампуется и легче сваривается, она дешевле спокойной стали. Кипящую сталь применяют для штамповки деталей и изготовления сварных конструкций. Недостаток кипящей стали — неоднородность химического состава слитка.

Спокойная сталь лучше раскислена, выделяет мало газов при разливке. Слиток имеет более однородный химический состав. Спокойную сталь применяют для ответственных деталей.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.

Разливка стали. В производстве стали важное значение имеет ее разливка после плавки. Применяют несколько способов разливки стали.

Разливку сверху используют для получения крупных слитков. Из плавильной печи сталь выпускают в ковш, откуда ее разливают в изложницы (рис. 8, а), изготовленные из чугуна или стали. В изложницах жидкий металл затвердевает и получается слиток.

Сифонный способ разливки (рис. 8,б) применяют для получения небольших слитков. Несколько изложниц без дна устанавливают на чугунное основание 4 и одновременно заполняют снизу. Сталь заливают в центральный литник 2,откуда по каналам 3 в основании она поступает в изложницы.

Способ непрерывной разливки (рис. 8,в) наиболее производительный и экономичный, его используют для получения небольших слитков. Из ковша 5 через промежуточное разливочное устройство 6 расплавленная сталь поступает в. охлаждаемый водой кристаллизатор 7. В кристаллизаторе сталь затвердевает и образуется слиток 8, который непрерывно вытягивается вращающимися роликами 9. Слитки нужной длины отрезают с помощью ацетилено - кислородной горелки, установленной на тележке 10. Тележку через определенный промежуток времени присоединяют к слитку. Готовые слитки отправляют на склад.

При непрерывной разливке отпадает необходимость иметь изложницы, а слитки имеют удобную форму для переработки и транспортирования, их не нужно подвергать последующей на обжимных станах. Так как при непрерывной разливке отсутствуют усадочные раковины, то в 5 раз сокращаются отходы металла по сравнению с разливкой в изложницы.

 

 

 

 

Рисунок 8 - Схема разливки стали

А – разливка сверху: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – изложница; 3 – поддон; Б – разливка сифоном: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая трубка; 3 – прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонные трубки; В – непрерывная разливка: 5 – ковш; 6 – разливочное устройство; 7– кристаллизатор; 8 – слиток; 9 – ролики; 10 – тележка газорезки.

 

 

Пути повышения качества стали

Непрерывное развитие техники представляет все более высокие требования к качеству стали. Многочисленные способы получения металлов высокого качества могут быть условно разделены на три группы: обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата, выплавка стали в вакууме, специальные способы электроплавки металлов.

Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата. Основной целью внепечной обработки жидкой стали в ковше является снижение содержания растворенных в металле газов, неметаллических включений и серы.

В настоящее время нет такого способа обработки жидкой стали в ковше, который позволил бы одновременно значительно снизить в металле содержание неметаллических включений, серы и газов. Поэтому в зависимости от поставленной задачи применяется тот или иной способ внепечной обработки металлов.

Обработка металлов в ковше синтетическим шлаком приводит к снижению в стали серы, неметаллических включений и кислорода. Сущность метода заключается в том, что металл выпускают из печи в ковш, частично заполненный жидким шлаком (4 – 5 % от массы металла), который предварительно выплавляют в специальном агрегате. Жидкий шлак и металл интенсивно перемешиваются. Сера, кислород и неметаллические включения переходят из металла в шлак. При обработке металла синтетическим шлаком важную роль играет его состав и физико-химические свойства. Шлак должен иметь низкие температуру плавления и вязкость, а также обладать высокой основностью и низкойокисленностью. Этим требованиям отвечают известково-глиноземистые шлаки, содержащие 50 – 55 % СаО, 38 – 42 % А12О3, 1,5 – 4 % SiO2, 0,15 – 0,5 % FeO. Шлаки такого состава обладают высокой рафинирующей способностью.

Повышение качества стали, обработанной синтетическим шлаком, компенсируют затраты, связанные с выплавкой такого шлака.

Продувка металла в ковше порошкообразными материалами является одним из современных способов повышения качества стали и производительности сталеплавильных агрегатов. Жидкий металл в потоке инертного газа (аргона) через фурму вводят измельченные десульфураторы и раскислители. В результате такой обработки можно получить металл с содержанием серы и кислорода менее 0,005 % каждого.

Обработка жидкой стали аргоном в ковше является наиболее простым способом повышения качества металла. Аргон вдувают в жидкую сталь через пористые и огнеупорные пробки, которые устанавливают в днище ковша. Аргон не растворяется в жидкой стали, поэтому при продувке металла аргоном в объеме жидкой стали образуется большое количество пузырей, которые интенсивно перемешивают металл и выносят на его поверхность неметаллические включения. Кроме того, водород и азот, растворенные в стали, переходят в пузыри аргона и вместе с ним покидают жидкий металл, т. е. происходит дегазация стали.

Внепечная обработка жидкой стали вакуумом в промышленных масштабах стала применятся сначала 50-х годов. Наиболее простым способом является вакуумирование стали в ковше. В этом случае ковш с жидким металлом помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух. При снижении давления в камере металл закипает вследствие бурного выделения из металлов газов. После дегазации металла камеру разгерметизируют, а ковш свакуумированной отправляют на разливку.