Сущность конвертерного процесса

Классификация стали

Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химичес­кому составу, характеру застывания в изложницах и строе­нию получающегося слитка.

По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изго­товлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и леги­рованными (например, марганцовистая сталь, хромистая сталь).

2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и то­пок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению.

3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь, к ней предъявляются высокие требования при механических испытаниях, например, на усталость, при проверке сплошности структуры металла.

4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготов­ления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1 % С и 1,5 % Сг, предъявляют очень вы­сокие требования по содержанию неметаллических включений.

5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она со­держит обычно значительное количество углерода (иногда до 2 %), а также в ряде марок — значительное количество ле­гирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.

6. Рессорно-пружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные,снарядные, броневые, трубные стали и другие.

По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высокока­чественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержа­нию неметаллических включений. В сталях обыкно­венного качества содержание серы и фосфора не должно пре­вышать 0,040-0,060, в качественных сталях - не более 0,030-0,040, в высококачественных - не более 0,020-0,030% (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допускается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).

По химическому составу различают стали: углеродистые (в том числе низко-, средне-, высокоуглеродистые), низко­легированные, легированные (в том числе хромистые, мар­ганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

Установлены единые условные обозначения химического состава стали:

Элемент      С MnSiCrNiMoWVAlTi

Обозначение УГСХНМВФЮТ

В обозначении марок стали по стандарту цифры с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента (для инструментальных сталей — в де­сятых долях процента). Буквы справа от цифр, выражающих среднее процентное содержание углерода, обозначают нали­чие соответствующего элемента в стали. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание соответствую­щих элементов, если оно выше 1 %,

Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обоз­начают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначе­ниями качественных углеродистых сталей служат: 10, 20, 45 и т.д. Цифры соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У(У7, У10, У12 и т.п.). Цифры после буквы У указывают на содержание углерода в десятых долях процента.

По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Поведение ме­талла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокой­нее кристаллизуется слиток.

Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсю­да название стали). Наоборот, спокойная сталь кристалли­зуется без видимых эффектов, спокойно.

Агрегаты ковш-печь

Представляют собой ковш, футерованный основными огнеупорами, накрываемый крышкой, через которую опускают электроды. Процесс включает перемеши­вание продувкой металла аргоном в ковше, дуговой подогрев и обработку металла синтетическим шлаком в процессе его перемешивания аргоном. Процесс обеспечивает не только получение заданного химического состава и температуры металла, но и снижение количества неметаллических включе­ний в результате удаления серы и кислорода. Агрегаты ковш-печь работают как на переменном, так и на постоянном токе.

Вакуумный дуговой переплав

Под воздействием высо­ких температур, возникающих в зоне электрической дуги между переплавляемым электродом и поддоном кристаллиза­тора, металл на нижнем торце электрода расплавляется и капли расплавленного металла падают в ванну, где под воз­действием охлаждения кристаллизатора формируется слиток. До начала операции печь вакуумируют; вакуумные насосы продолжают ра­ботать в течение всей плавки. Таким образом, капли метал­ла падают через вакуумированное пространство, при этом обеспечивается очень полное очищение металла от газов, оксидных неметаллических включений (общее содержание кис­лорода снижается до очень низких пределов), от примесей некоторых цветных металлов и получается плотный слиток. Кристаллизация металла происходит в водоохлаждаемом кристаллизаторе (обычно медном). В результате ВДП механи­ческие характеристики металла улучшаются и становятся почти одинаковыми в различных направлениях.

Достоинством способа ВДП является отсутствие контакта металла с огнеупорной футеровкой, недостатком — невозмож­ность снижения содержания серы (отсутствие шлаковой фазы). Дуговая выплавка отличается высокой концентрацией тепла в дуге, поэтому ВДП получил широкое распространение при производстве слитков из тугоплавких металлов(титана,циркония, ниобия, молибдена, вольфрама и др.). Схему, при применении которой электрод переплавляется, называют ВДП с расходуемым электродом.

В некоторых случаях изготовить расходуемый электрод невозможно. В этих случаях применяют методВДП с нерасходуемым электродом.

Плазменно-дуговой переплав

Нагрев и плавление металлов с помощью тепла, выделяемого сжатой в поперечном направлении электрической дугой, называют плазменно-дуговой плавкой. В отличие от обычного дугового разряда с температурой столба дуги 6000-8000 °С, сжатие дуги газовым потоком или магнитным полем увеличивает плотность тока, повышает степень ионизации частиц и обеспечивает повышение ее температуры до 10000-30000°С. Сжатую высокотемпературную дугу получают при помощи специальных устройств – плазматронов. В используемых в металлургии плазматронах сжатие дуги осуществляют потоком газа.

В отличие от обычного дугового нагрева, плазменно-дуговой нагрев обеспечивает:

· нагрев и плавление металла с более высокими скоростями;

· существенное упрощение процесса регулирования длины дуги и устранение сложного оборудования для перемещения электродов;

· создание над металлом атмосферы требуемого состава и свойств;

· исключение возможности науглероживания металла;

· устранение шумового эффекта дуги;

· возможность горения дуги в условиях изменения давления в широких пределах.

Слиток полуспокойной стали

Полуспокойная сталь по степени раскисленности занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. Ее раскисляют,как правило, в ковше, вводя силикомарганец, ферромарганец и ферросилиций в количестве, обеспечивающем получение заданного содержания в стали марганца и кремния.

Полуспокойную сталь разливают в сквозные расширяющиеся книзу или в бутылочные изложницы. При затвердевании в изложнице наблюдается "искрение" — образование и выделе­ние небольшого количества оксида углерода. Длительность искрения служит показателем оптимальной степени раскис­ленности стали.

В верхней части слитка этой сталиимеются сотовые или округлые пузыри, концентрированная усадочная раковина и под ней усадочная рыхлость. Пузыри рас­положены и у поверхности слитка. В нижней части слитка, где велико ферростатическое давление, пузыри не образуются.

Непрерывная разливка стали

Наиболее распространен способ непрерывной разливки, заключающийся в том, что жидкую сталь непрерывно заливают в водоохлаждаемую изложницу без дна — кристаллизатор, из нижней части которого вытягивают затвердевший по перифе­рии слиток с жидкой сердцевиной. Далее слиток движется через зону вторичного охлаждения, где полностью затверде­вает, после чего его разрезают на куски определенной дли­ны. Основа этого способа — вытягивание формирующегося слитка из кристаллизатора. Этим способом в настоящее время получают преимущественно литые заготовки (слитки), что позволило ликвидировать два энергоемких этапа металлурги­ческого производства— прокатку на обжимных станах и наг­рев слитков перед этой прокаткой в нагревательных колод­цах.

Конструкция МНЛЗ

Наибольшее распростра­нение получили установки вертикального, криволинейного и радиального типов.

Вертикальные МНЛЗ

Из сталеразливочного ковша сталь поступает в промежуточный, а из него в кристаллизатор с вертикальными стенками, совершающий возвратно-поступательное движение вверх—вниз. После выхода из кристаллизатора слиток с жид­кой сердцевиной движется вниз через зону вторичного охлаждения, включающую систему форсунок и опорные устрой­ства, которые могут быть выполнены в виде роликов или брусьев и предотвращают выпучивание корки слитка.

За зоной вторичного охлаждения расположена одна или две тянущие клети, которые обеспечивают вытягивание и регулирование скорости движения слитка, а также пред­отвращают проскальзывание слитка вниз. Каждая клеть сос­тоит из двух или трех пар валков, соединенных с приводом и прижимаемых к слитку гидроцилиндрами.

Ниже тянущих клетей движущийся слиток разрезают на куски мерной длины с помощью газорезки. Отрезанные заго­товки падают в корзину (тележку), которая, двигаясь по наклонным рельсам, поднимает заготовку до уровня пола це­ха и одновременно поворачивает ее в горизонтальное поло­жение.

Основной недостаток вертикальных МНЛЗ — большая высо­та, обусловленная тем, что затвердевание слитка должно закончиться до его попадания в тянущую клеть и газорезку. Другим сущест­венным недостатком является то, что необходимость ограни­чивать высоту МНЛЗ ограничивает скорость разливки.

Криволинейные и радиальные МНЛЗ

В радиальных МНЛЗ по выходе из кристаллизатора слиток движется по дуге с постоянным радиусом. После прохождения нижней точки дуги полностью затвердевший слиток разги­бают, переводя его в горизонтальное положение.

В криволинейных МНЛЗ слиток вначале движется по дуге, определяемой радиусом кривизны кристаллизатора, а затем еще в зоне вторичного охлаждения радиус кривизны дуги увеличивается, т.е. происходит постепенное разгибание слитка с жидкой сердцевиной с последующим переводом в горизонтальное положение. Рассредоточение деформации имеет целью снизить возникающие при этом в корке слитка напряжения и вероятность возникновения трещин.

Жид­кая сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежу­точный, а затем в радиальный кристаллизатор, снабженный механизмом качания. После выхода из кристаллизатора сли­ток, проходя через зону вторичного охлаждения, движется по роликовой проводке.

Верхняя часть роликовой проводки предотвращает выпу­чивание корки слитка. Приводными, обеспечивающими движе­ние и разгибание слитка, обычно выполняют ролики нижнего ряда.

Машины конструируют так, что горизонтальное движение слитка осуществляется на уровне пола цеха. На этом же участке производят резку слитка на куски мерной длины.

Основные преимущества этих машин по сравнению с верти­кальными:

- меньшая высота, что снижает стоимость сооруже­ния МНЛЗ и здания цеха;

- возможность повышения скорости разливки, поскольку газорезку можно установить далеко от кристаллизатора и благодаря этому допустимо существенное увеличение глубины лунки жидкого металла в слитке;

- воз­можность резки слитка на куски большой длины.

Основные узлы МНЛЗ

Промежуточный ковш, обеспечивающий подвод жидкого ме­талла из сталеразливочного ковша в кристаллизатор, небольшой высоты с одним, или несколькими разливочными стаканами, как правило, имеющими стопора.Помимоподвода жидкого металла в кристаллизатор промежуточный ковшобес­печивает постоянство условий подачи металла в кристалли­затор в течение всей разливки, т.е. одинаковый и неболь­шой напор струи металла, поступающего в кристаллизатор.

Для снижения теплопотерь ковши накрывают футерованными крышками, а до начала разливки футеровку прогревают до температуры 900-1200 °С.

Кристаллизатор является важнейшим конструктивным эле­ментом МНЛЗ; он должен обеспечить быстрое формирование достаточно толстой и прочной корки слитка без дефектов. Для обеспечения этого и предотвращениярасплавления само­го кристаллизатора при подаче в него жидкой стали, стенки кристаллизаторов делают водоохлаждаемыми, а внутреннюю их часть, соприкасающуюся с жидким металлом, выполняют из меди.

Применяют кристаллизаторы трех типов: блочные, гильзо­выеи составные.

Наибольшее распространение получили составные (сбор­ные) кристаллизаторы, которые выполняют из четырех от­дельных стенок, скрепленных в одно целое с помощью спе­циальных стяжных устройств.

Форма поперечного сечения внутренней полости кристал­лизатора определяется сечением отливаемого слитка. Кристаллизаторы оборудуются системой охлаждения.

Механизм качания кристаллизатора обеспечивает в тече­ние всей разливки возвратно-поступательное движение крис­таллизатора вверх-вниз, т.е. вдоль отливаемого слитка, что необходимо для предотвращения отрыва верхней тонкой части корки от движущегося слитка вследствие трения о стенки кристаллизатора. В период совместного движения кристал­лизатора и слитка вниз трение между нимиотсутствует,и затвердевающая корка слитка утолщается и упрочняется так, что при последующем движении кристаллизатора вверх она не разрывается.

Зона вторичного охлаждения представляет собой распо­лагаемую ниже кристаллизатора часть МНЛЗ, где на поверх­ность движущегося слитка подают охлаждающую среду. В этой зоне от слитка должно отбираться тепло, выделяющееся при кристаллизации жидкого металла, а поверхность слитка не должна охлаждаться ниже 800—1000 °С. Чтобы достичь этого применяют "мягкое" ох­лаждение (распыленной водой, водовоздушной смесью), рассредоточивая его на большое расстояние по длине слитка.

Интенсивность охлаждения должна уменьшаться по мере удаления слитка от кристаллизатора.

Тянущие устройства - движение слитка обеспечивают снабженные приводом (приводные) роли­ки роликовой проводки;

Затравка предназначенадляобразования временногодна в кристаллизаторе перед началом разливки и для вытягива­нияпервыхметровотливаемого слитка.

Затравка снабжена головкой, в которой имеется углуб­ление в виде "ласточкиного хвоста" или Г-образной формы; сечение головки затравки соответствует сечениюотливаемого слитка. Перед началом разливки затравку вводят вкристаллизатор, и ее головка образует временное дно, а низ затравки находится в тянущих валках. Заливае­мый в кристаллизатор металл застывает в углублении голов­ки, обеспечивая сцепление затравки со слитком. При вклю­чении тянущих валков затравка начинает двигаться вниз и тянет за собой слиток. После выхода затравки из тянущих валков ее отделяют от слитка.

Устройство для резки слитка на куски определенной дли­ны (заготовки) представляет собой газорезку ирежегид­равлические ножницы. Газорезка— это подвижнаятележка, снабженная двумя газокислородными резаками, которые при резке перемещаются поперек слитка, а сама газорезка при этом движется вместе со слитком, сцепляясь с ним перед началом резки пневматическими захватами.После окончания резки газорезка возвращается в исходное положение, после чего цикл повторяется.

Оборудование для быстрой смены ковшей - поворотные и иногда передвижные стенды, которые удерживают во время разливки сталеразливочныйковш над промежуточным и обеспечивают быструю замену ков­шей при разливке методом "плавка на плавку".

Классификация стали

Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химичес­кому составу, характеру застывания в изложницах и строе­нию получающегося слитка.

По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изго­товлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и леги­рованными (например, марганцовистая сталь, хромистая сталь).

2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и то­пок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению.

3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь, к ней предъявляются высокие требования при механических испытаниях, например, на усталость, при проверке сплошности структуры металла.

4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготов­ления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1 % С и 1,5 % Сг, предъявляют очень вы­сокие требования по содержанию неметаллических включений.

5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она со­держит обычно значительное количество углерода (иногда до 2 %), а также в ряде марок — значительное количество ле­гирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.

6. Рессорно-пружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные,снарядные, броневые, трубные стали и другие.

По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высокока­чественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержа­нию неметаллических включений. В сталях обыкно­венного качества содержание серы и фосфора не должно пре­вышать 0,040-0,060, в качественных сталях - не более 0,030-0,040, в высококачественных - не более 0,020-0,030% (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допускается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).

По химическому составу различают стали: углеродистые (в том числе низко-, средне-, высокоуглеродистые), низко­легированные, легированные (в том числе хромистые, мар­ганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

Установлены единые условные обозначения химического состава стали:

Элемент      С MnSiCrNiMoWVAlTi

Обозначение УГСХНМВФЮТ

В обозначении марок стали по стандарту цифры с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента (для инструментальных сталей — в де­сятых долях процента). Буквы справа от цифр, выражающих среднее процентное содержание углерода, обозначают нали­чие соответствующего элемента в стали. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание соответствую­щих элементов, если оно выше 1 %,

Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обоз­начают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначе­ниями качественных углеродистых сталей служат: 10, 20, 45 и т.д. Цифры соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У(У7, У10, У12 и т.п.). Цифры после буквы У указывают на содержание углерода в десятых долях процента.

По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Поведение ме­талла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокой­нее кристаллизуется слиток.

Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсю­да название стали). Наоборот, спокойная сталь кристалли­зуется без видимых эффектов, спокойно.

Сущность конвертерного процесса

Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и до­бавляемого лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму.