Виробництво сталі мартенівським способом

При мартенівському способі сталь виплавляється в мартенівських печах за рахунок нагріву шихти і плавлення металу спалюванням рідкого або газоподібного палива.

Залежно від складу шихти розрізняють скрап-процес і рудний процес.

При скрап-процесі шихта складається з металевого лому (приблизно 75%) і твердого чавуну у вигляді чушок. Цей процес застосовується там, де є сталевий лом - на машинобудівних заводах. Такий різновид мартенівського процесу має назву - плавка на твердій шихті.

При рудному процесі в піч заливається рідкий чавун і додається 20-25% руди. Окислення домішок чавуну йде за рахунок кисню руди. Оксиди кремнію, марганцю і інших елементів, що утворюються, переходять в шлак, вуглець у вигляді СО, СО₂ - в газову фазу. Рудний процес застосовується на великих металургійних заводах з повним циклом, де є рідкий чавун.

Використовують також скрап-рудний процес, при якому шихта складається з руди, рідкого чавуну і металевого лому.

Основною характеристикою мартенівської печі є її місткість - кількість сталі, що виплавляється за одну плавку. Мартенівські печі мають місткість від 50 до 500 т і більше.

Перевага мартенівського способу виробництва сталі в отриманні якісного металу заданого хімічного складу, можливості виплавки сталей будь-якої марки, навіть легованих.

Недоліком способу є неможливість повного видалення сірки і фосфору і наявність в сталі газових включень.

Мартенівську сталь одержують в полум'яній печі, де спалюють газоподібне (суміш генераторного, колошникового або коксівного газів) або рідке (нафта, мазут) паливо. Для підтримки горіння в піч подається підігріте повітря.

Основна частина мартенівської печі - робочий простір, куди завантажуються шихтові матеріали і де проводиться плавка. Завантаження шихти проводиться через спеціальні вікна.

Регенератори для підігріву повітря і палива мають вигляд камер, викладених зсередини вогнетривкою цеглою та утворюють насадку з вертикальними каналами. Регенератори в нижній частині сполучені каналами,по яких поступають повітря і газ і відводяться продукти горіння. Періодично напрями подачі палива і відведення продуктів горіння змінюються.

У разі застосування газоподібного палива використовуються по два регенератори з кожної сторони: в одному підігрівається повітря, в іншому - паливо. Печі, що опалюються рідким паливом, мають по одному регенератору - для підігріву повітря, а паливо подається в піч форсунками.

З робочого простору мартенівської печі продукти горіння, що мають температуру біля 1600 °С, поступають в регенератори, і нагрівають їх насадки до температури 1000-1200 °С.

Через нагріті регенератори, що розташовані по іншу сторону печі, проходять газоподібне паливо і повітря. Останні нагріваються до температури 900-1000 °С і поступають в мартенівську піч.

У піч завантажують шихтові матеріали, подають паливо і повітря. Потрапляючи в піч, гаряче повітря і паливо утворюють факел. Температура в робочому просторі підіймається до 1700-1800°С.

Мартенівський процес підрозділяється на три періоди: плавлення (тривалість 3-5 год), кипіння (1-3 год) і розкислювання. Загальна тривалість плавки сталі в мартенівських печах 5-8 годин.

Виплавка сталі в електропечах

Для отримання високоякісних сортів сталі застосовуються електричні печі, в яких температура досягає 3000°С. Це дає можливість краще видаляти шкідливі домішки - сірку і фосфор. Висока температура, можливість регулювати її в широких межах дозволяють виплавляти сталі, що містять тугоплавкі елементи.

Електрична плавка не вимагає подачі в піч повітря, окислювальна здатність печі невисока, кількість оксиду заліза незначна. В електросталі міститься значно менша кількість шлакових включень і розчинених газів.

Електричні печі для виплавки сталі підрозділяються на дугові, індукційні і печі опору.

Дугова електрична піч має сталевий кожух і всередені викладена вогнетривкою цеглою. Зверху через склепіння печі пропущені електроди (вугільні або графітні). Спереду в печі знаходиться оглядове вікно, а ззаду - отвір з жолобом для випуску сталі і шлаку. Завантаження печі ведеться зверху. Для плавки сталі частіше використовують дугові електропечі.

Індукційна електропіч - це тигель з вогнетривкого матеріалу, який оточений мідною трубчастою спіраллю (індуктором), до якої подається електричний струм високої частоти, що нагріває і розплавляє метал. Під дією електричного струму відбувається циркуляція металу, що забезпечує отримання однорідної сталі заданого складу.

Електричні печі опору мають нагрівальні елементи, через які пропускається електричний струм. Тепло, що утворюється при цьому, передається металевій ванні.

Електричні печі бувають з кислою (динас і кварц) і основною (хромомагнезит) футеровкою. Найбільш поширені печі з основною футеровкою.

Виробництво сталі в дугових електропечах

Шихта для отримання сталі в електричних печах є високоякісний металевий лом (до 90%), чавун (до 10%), невелика кількість руди або окалини для окислення домішок. В якості флюсу застосовується вапняк (в основному процесі) або кварцит (в кислому).

Піч завантажується шихтою. Потім на електроди подають електричний струм, який створює дугу. Енергія, що виділяється при цьому, нагріває і розплавляє шихту.

В окислювальний період плавки кисень руди окислює залізо і домішки металевої ванни (окрім сірки) і переводить їх в шлак. Окислений фосфор міцно зв'язується в шлаці вапном. Шлак 2-3 рази за плавку скачується для того, щоб фосфор шлаку не переходив в метал.

У відновлювальний період йде навуглецьовування металу (якщо кількість вуглецю недостатня), розкислювання сталі і видалення сірки. Для навуглецьовування в піч після скачування шлаку додають електродний бій, кокс, іноді деревно-вугільний чавун. Розкислювачем є дрібнокускове вапно, мелений феросиліцій і кокс. Сірка ошлаковується вапном.

Остаточне розкислювання проводиться феромарганцем і феросиліцієм.

При виплавці легованих сталей протягом розкислювального періоду плавки вводять легуючі домішки у вигляді феросплавів: ферохром, ферованадій та інші.

Для здешевлення виробництва високоякісних сталей застосовується дуплекс-процес, сутність якого полягає в тому, що плавку сталі починають в конвертері або мартенівській печі, а потім одержану сталь очищають від шкідливих домішок, оксидів, шлакових включень і розчинених газів в електричній печі.

Розливання сталі

При всіх способах виробництва рідка сталь випускається в розливний ківш, виконаний з листової сталі і футерований вогнетривкою цеглою. Місткість розливного ковша повинна вміщати всю плавку. В днищі ковша є отвори, які закриваються або вогнетривкими пробками, укріпленими на стрижнях, або шиберними затворами.

З ковша сталь розливають у виливниці - чавунні форми з гладкою внутрішньою поверхнею для полегшення витягання зливка і щоб уникнути утворення на ньому тріщин. Перед заповненням виливниці рідкою сталлю її стінки змащують кам'яновугільною смолою. При заливці металу смола згорає, і утворюються гази, які перешкоджають попаданню шлаку між тілом зливка і стінками виливниці.

Розливання рідкої сталі у виливниці може здійснюватися двома способами: розливанням зверху і сифоном.

Розливання зверху полягає в заливці сталі безпосередньо з ковша у виливниці.

Сифонне розливання сталі полягає в тому, що рідкий метал з ковша поступає в центральний вертикальний канал, сполучений горизонтальними каналами з декількома виливницями. Рідкий метал, проходячи по каналах, одночасно заповнює знизу всі виливниці. Цей спосіб розливання застосовується для зливків невеликої ваги.

Зараз широко використовується безперервне розливання сталі. Сталь з ковша через проміжний розливний пристрій потрапляє в кристалізатор, що безперервно охолоджується водою. Перед заливкою металу в кристалізатор вводять металеву плиту, яка замінює дно кристалізатора, на якій починає кристалізуватися рідкий метал.

Потім включається механізм витягання і безперервний зливок витягується роликами з кристалізатора. В зоні охолоджування зливок охолоджується дрібними краплями води і далі розрізається на заготовки необхідної довжини.

Переваги безперервного розливання - підвищення якості зливка, зростання продуктивності, можливість механізації і автоматизації процесу.

Класифікація сталей

За хімічним складом сталь підрозділяється на вуглецеву і леговану.

Вуглецева сталь - сплав заліза з вуглецем (вміст вуглецю до 2%). Окрім заліза і вуглецю, до складу вуглецевої сталі входять також кремній, марганець, сірка і фосфор.

Вуглець в сталі знаходиться у вигляді цементиту. Із збільшенням вмісту вуглецю до 1,2% збільшуються твердість, міцність і пружність сталі, при цьому, зменшуються пластичність і ударна в'язкість, погіршуються оброблювальні і зварювальні якості.

Кремній в невеликих кількостях (звичайний вміст його в сталі 0,05-0,35%) не дуже впливає на властивості сталі. При підвищенні вмісту кремнію підвищуються пружність, корозійна стійкість і жаростійкість сталі.

У звичайній сталі вміст марганцю складає 0,3-0,8%, що мало впливає на її властивості. При високому вмісті марганцю сталь набуває твердість та зносостійкість.

Сірка - шкідлива домішка, що додає сталі червоноламкість і знижує корозійну стійкість. Вміст сірки в сталі не повинен перевищувати 0,06%.

Фосфор (не більше 0,07%) додає сталі підвищену крихкість в холодному стані. Він трохи покращує оброблюваність сталі.

Кисень - шкідлива домішка, утворюючи закис заліза, який додає сталі крихкість.

По використанню сталі діляться на сталі загального призначення, що йдуть на виготовлення деталей машин, і інструментальні, призначені для виготовлення інструментів.

Конструкційні сталі містять іноді до 0,7% вуглецю. Ці сталі повинні володіти достатньою міцністю і пластичністю. Конструкційні сталі в свою чергу діляться на сталі звичайної якості і якісні.

Вуглецеві інструментальні сталі містять більше 0,7 % вуглецю. Порівняно великий вміст вуглецю додає цим сталям високу твердість і міцність.

Залежно від вмісту вуглецю сталі підрозділяються на три групи: низьковуглецеві (до 0,25% вуглецю), середньовуглецеві (0,25-0,6%) і високовуглецеві (0,6-2%).

Легованими називають сталі, до складу яких, окрім заліза, вуглецю і звичних домішок, входять легуючі елементи, що підвищують їх фізичні, хімічні і механічні властивості.

ТЕМИ НАВЧАЛЬНОЇ ПРОГРАМИ