Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 3 )

Одночасно із залізом окисляються кремній, фосфор, марганець і вуглець. оксид, Що Утвориться, заліза при високих температурах віддає свій кисень більше активним домішкам у чавуні, окисляючи їх.

Процеси виплавки стали здійснюють у три етапи.

Перший етап - розплавлювання шихти й нагрівання ванни рідкого металу.

Температура металу порівняно невисока, інтенсивно відбувається окислювання заліза, утворення оксиду заліза й окислювання домішок: кремнію, марганцю й фосфору.

Найбільш важливе завдання етапу - видалення фосфору. Для цього бажано проведення плавки в основній печі, де шлаки містить. Фосфорний ангідрид утворить із оксидом заліза нестійке з'єднання. Оксид кальцію більш сильний підстава, чим оксид заліза, тому при невисоких температурах зв'язує і переводити його в шлаки.

Для видалення фосфору необхідна невисокі температура ванни металу й шлаків, достатнє зміст у шлакам. Для підвищення змісту у шлакам й прискорення окислювання домішок у піч додають залізну руду й окалину, наводячи залізисті шлаки. У міру видалення фосфору з металу в шлаки, зміст фосфору в шлакам збільшується. Тому необхідно забрати ці шлаки із дзеркала металу й замінити його новим зі свіжими добавками.

Другий етап - кипіння металевої ванни - починається в міру прогріву до більше високих температур.

При підвищенні температури більш інтенсивно протікає реакція окислювання вуглецю, що відбуває з поглинанням теплоти.

Для окислювання вуглецю в метав уводять незначну кількість рудій, окалини або вдмухують кисень.

При реакції оксиду заліза з вуглецем, пухирці оксиду вуглецю виділяються з рідкого металу, викликаючи «кипіння ванни». При «кипінні» зменшується зміст вуглецю в металі до необхідного, вирівнюється температура по об’єму ванни, частково віддаляються неметалічні включення, що прилипають до спливаючих пухирців, а також гази, що проникають у пухирці. Всі це сприяє підвищенню якості металу. Отже, цей етап - основної в процесі виплавки стали.

Також створюються умови для видалення сірки. Сірка в сталі перебуває у вигляді сульфіду, що розчиняється також в основним шлакам. Чим вище температура, тім більша кількість сульфіду заліза розчиняється в шлакам й взаємодіє з оксидом кальцію :

З'єднання, що утвориться, розчиняється в шлакам, але не розчиняється в залозі, тому сірка віддаляється в шлаки.

Третій етап - розкислення сталі полягає у відновленні оксиду заліза, розчиненого в рідкому металі.

При плавці підвищення змісту кисню в металі необхідно для окислювання домішок, але в готовій сталі кисень - шкідлива домішка, тому що знижує механічні властивості стали, особливо при високих температурах.

Сталь розкисляють двома способами: осаджуючим і дифузійним.

Осаджуюче розкислення здійснюється введенням у рідку сталь розчинного розкислювача (феромарганцю, ферросиліція, алюмінію), що містять елементи, які мають більшу спорідненість до кисню, чим залізо.

У результаті розкислення відновлюється залізо й утворяться оксиди: , які мають меншу щільність, чим сталь, і віддаляються в шлаки.

Дифузійне розкислення здійснюється розкисленням шлаків. Феромарганець, ферросиліцій і алюміній у здрібненому виді завантажують на поверхню шлаків.

Розкислювачі, відновлюючи оксид заліза, зменшують його зміст у шлакам. Отже, оксид заліза, розчинений у сталі переходити в шлаки. оксиди, Що Утворяться при цьому процесі, залишаються в шлакам, а відновлене залізо переходити в сталь, при цьому в сталі знижується зміст неметалічних включень і підвищується її якість.

Залежно від ступеня розкислення виплавляють сталі:

а) спокійні,

б) киплячі,

в) напівспокійні.

Спокійна сталь виходить при повному розкисленні в печі й ковші.

Кипляча сталь розкислена в печі неповністю. Її розкислення триває в ізложниці при затвердінні злитка, завдяки взаємодії оксиду заліза й вуглецю:

оксид, що утвориться, виділяється зі сталі, сприяючи видаленню зі сталі азоту й водню, гази виділяються у вигляді пухирців, викликаючи її кипіння. Кипляча сталь не містить неметалічних включень, тому має гарну пластичність.

Напівспокійна сталь має проміжну розкисленість між спокійною й киплячою. Частково вона розкисляється в печі і у ковші, а частково - в ізложниці, завдяки взаємодії оксиду заліза й вуглецю, що втримуються в сталі.

Легування стали здійснюється введенням феросплавів або чистих металів у необхідній кількості в розплав. Легуючі елементи, у яких спорідненість до кисню менше, ніж у заліза, при плавці й розливанні не окисляються, тому їх уводять у будь-який година плавки. Легуючі елементи, у яких спорідненість до кисню більше, ніж у заліза, уводять у метав після розкислення або одночасно з їм наприкінці плавки, а іноді в ківш.

Способи виплавки сталі

Чавун переробляється в сталь у різних за принципом дії металургійних агрегатах: мартенівських печах, кисневих конвертерах, електричних печах.

Виробництво сталі в мартенівських печах

Мартенівський процес (1864-1865, Франція). У період до сімдесятих років був основним способом виробництва сталі. Спосіб характеризується порівняно невеликою продуктивністю, можливістю використання вторинного металу - сталевого скрапу. Місткість печі становить 200...900 т. Спосіб дозволяє одержувати якісну сталь.

Мартенівська піч по пристрої й принципі роботи є полум'яною відбивною регенеративною піччю. У плавильному просторі спалюється газоподібне

паливо або мазут. Висока температура для одержання стали в розплавленому стані забезпечується регенерацією тепла грубних газів.

Сучасна мартенівська піч являє собою витягнуту в горизонтальному напрямку камеру, складену з вогнетривкої цегли. Робочий плавильний простір обмежений знизу подиною 12, зверху зводом 11, а з боків передньої 5 і задньої 10 стінками. Подина має форму ванни з укосами в напрямку до стінок печі. У передній стінці є завантажувальні вікна 4 для подачі шихти й флюсу, а в задньої - отвір 9 для випуску готової сталі.

Схема мартенівської печі

Характеристикою робочого простору є площа поду печі, що підраховують на рівні порогів завантажувальних вікон. З обох торців плавильного простору розташовані головки печі 2, які служать для змішування палива з повітрям і подачі цієї суміші в плавильний простір. Як паливо використовують природний газ, мазут.

Для підігріву повітря й газу при роботі на низькокалорійному газі пекти має два регенератори 1.

Регенератор - камера, у якій розміщена насадка - вогнетривка цегла, викладена у клітку, призначений для нагрівання повітря й газів.

гази, що відходять від печі мають температуру 1500...16000C Потрапляючи в регенератор, гази нагрівають насадку до температури 1250 0C. Через один з регенераторів подають повітря, що проходячи через насадку нагрівається до 1200 0C і надходити в головку печі, де змішується з паливом, на виході з головки утвориться факел 7, спрямований на шихту 6.

гази, Що Відходять, проходять через протилежну головку (ліву), очисні пристрої (шлаковики), службовці для відділення від газу часток шлаків і пороші й направляються в другий регенератор.

Охолоджені гази залишають печі через димар 8.

Після охолодження насадки правого регенератора перемикають клапани, і потік газів у печі змінює напрямок.

Температура факела полум'я досягає 1800 0C. Факел нагріває робочий простір печі й шихту. Факел сприяє окислюванню домішок шихти при плавці.

Тривалість плавки становить 3...6 часів, для великих печей - до 12 часів. Готову плавку випускають через отвір, розташований у задній стінці на нижньому рівні поду. Отвір щільно забивають малозпікаючимися вогнетривкими матеріалами, які при випуску плавки вибивають. Печі працюють безупинно, до зупинки на капітальний ремонт - 400...600 плавок.

Залежно від змісту шихти, використовуваної при плавці, розрізняють різновиду мартенівського процесу:

- скрап-процес, при якому шихта складається зі сталевого лома (скрапу) і 25...45 % чушкового передільного чавуну, процес застосовують на заводах, де немає доменних печей, але багато металобрухту.

- скрап-рудний процес, при якому шихта складається з рідкого чавуну (55...75 %), скрапу й залізної рудій, процес застосовують на металургійних заводах, що мають доменні печі.

Футеровка печі може бути основною і кислою. Якщо в процесі плавки сталі, у шлакам переважають основні оксиди, те процес називають основним мартенівським процесом, а якщо кислі – кислим.

Найбільша кількість стали роблять скрап-рудним процесом у мартенівських печах з основною футеровкою.

У піч завантажують залізну руду й вапняк, а після підігріву подають скрап. Після розігріву скрапу в піч заливають рідкий чавун. У період плавлення за рахунок оксидів рудій й скрапу інтенсивно окисляються домішки чавуну: кремній, фосфор, марганець і, частково, вуглець. Оксиди утворять шлаки з високим змістом оксидів заліза й марганцю (залізисті шлаки). Після цього проводять період «кипіння» ванни: у піч завантажують залізну руду й продувають ванну подаваним по трубах 3 киснемо. У цей година відключають подачу в піч палива й повітря й видаляють шлаки.

Для видалення сірки наводять нові шлаки, подаючи на дзеркало металу вапно з додаванням бокситу для зменшення в'язкості шлаків. Зміст у шлакам зростає, а зменшується.

У період «кипіння» вуглець інтенсивно окисляється, тому шихта винна містити надлишок вуглецю. На даному етапі метав доводити до заданого хімічного складу, з нього віддаляються гази й неметалічні включення.

Потім проводять розкислення металу у два етапи. Спочатку розкислення йде шляхом окислювання вуглецю металу, при одночасній подачі у ванну розкислювачів - феромарганцю, феросиліцію, алюмінію. Остаточне розкислення алюмінієм і феросиліцієм здійснюється в ковші, при випуску сталі з печі. Після відбору контрольних проб сталь випускають у ківш.

В основних мартенівських печах виплавляють сталі вуглецеві, конструкційні, низько - і середньолеговані (марганцевисті, хромисті), крім високолегованих сталей і сплавів, які одержують у плавильних електропечах.

У кислих мартенівських печах виплавляють якісні сталі. Застосовують шихту з низьким змістом сірки й фосфору.