Современное металлургическое производство и его продукция

 

   Известково-обжигательный цех

Исходным  сырьем служат окисленные окатыши и  мелкодисперсная  известь. В соответствии с требованиями технологии, для увеличения термостойкости окатышей, на них наносят покрытие из известкового молока, для приготовления  которого используется мелкодисперсная  известь, производимая собственным  известково-обжигательным цехом (ИОЦ) на заводах. Пройдя нанесение покрытия, окисленные окатыши подаются системой конвейеров на два идентичных модуля, - модуль 1 и модуль 2, где специальным  вертикальным конвейером загружаются  в систему питания шахтной  печи. Загруженные в печь окатыши  подвергаются обработке восстановительным  газом, в результате чего получают готовый  продукт - железо прямого восстановления (ЖПВ). Восстановление окислов железа окисленных окатышей до металлического железа восстановительным газом  осуществляется при температурах от 830 до 950 0С. Обволакивание окатышей известью позволяет повысить температурный  уровень процесса до указанных значений, способствуя росту производительности печи, но должен оставаться ниже температуры  плавления. Этот уровень обеспечивается физическим теплом и соответствующим  составом восстановительного газа.

 

Мартеновское производство стали

Сущность  мартеновского  процесса заключается  в ведении  плавки на поду пламенной  отражательной  печи, оборудованной  регенераторами для предварительного подогрева  воздуха (иногда и газа). Идея получения  литой стали на поду отражательной  печи высказывалась многими учеными, но осуществить это долгое время  не удавалось, так как температура  факела обычного в то время топлива – генераторного газа – была недостаточной для нагрева металла выше 1500 оС (т.е. недостаточна для получения жидкой стали). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П. Мартен на одном из заводов Франции выпустил первую плавку.

В мартеновскую печь загружают  шихту (чугун, скрап, металлический  лом  и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале ХХ в. в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали.

 

Схема современного металлургического  производства.

Металлургия стали

Значительную часть стали  получают из предельного чугуна. Сущность процесса заключается в уменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входить  металлический лом, железная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородных  конверторах, мартеновских и электрических  печах.

 

Выплавка стали в кислородных  конвертерах

Сущность процесса заключается  в том, что через расплавленный  чугун и небольшое количество металлического лома черных металлов, загруженных в конвертор, продувается  кислород, образуется оксид железа FO, который, взаимодействуя с углеродом  и примесями чугуна, окисляет и  обращает их в газ и шлак. Реакции  окисления идут с выделением тепла. Чугун при этом превращается в  сталь. Конвертер с кислородным  дутьем (рис. 2) состоит из стального  корпуса, футерованного огнеупорным  кирпичом. Конвертер имеет поворотное устройство, с помощью которого может  устанавливаться в наклонном  положении. В таком положении  его заливают жидким чугуном, затем  устанавливают вертикально и  через фурму производят продувку кислородом. По окончании процесса конвертер вновь наклоняют и  выпускают сталь и шлак.

 

Рис.2. Выплавка стали в  кислородных конвертерах

 

Емкость современных конвертеров  составляет 300-350т, Продолжительность  плавки 30-40 минут. Температура, развиваемая  в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокая производительность агрегата, простота конструкции и  обслуживания, отсутствие потребности  в топливе обеспечивают невысокую  себестоимость конверторной стали,

К недостаткам работы конверторов  относятся невозможность переработки  значительного количества металлического лома, значительный угар металла (5—10%), повышенное содержание вредных примесей в получаемой стали.

Конвертерная сталь относится  к стали обыкновенного качества. Такая сталь идет для получения  проката различного профиля —  листов, прутков, трубного проката, уголков  и т. д. Кислородное конвертирование  — перспективный процесс, поскольку с его помощью в последние годы освоено получение качественной стали.

 

Выплавка стали в мартеновских печах.

Процесс выплавки разработан французскими металлургами Э. и П. Мартенами. Он отличается более высокой по сравнению  с конвертированием температурой, развиваемой  в плавильном пространстве печи, — 1800—1900°С, что позволяет перерабатывать чугун в твердом, жидком состоянии, стальные отходы металлургического и машиностроительного производства. В состав шихты могут входить железная руда, флюсы, марганец. В качестве топлива в мартеновском процессе используется природный газ.

Мартеновская печь (рис. 3) работает следующим образом.

Шихта через загрузочные  окна 1 загружается в плавильное пространство 2, выложенное огнеупорным  кирпичом. Природный газ и воздух, образующие факел для расплавления

 

Рис. 3. Мартеновская печь

 

Готовая сталь выпускается  через отверстие — летку, расположенную  в задней стенке печи. Различают  два варианта мартеновского процесса: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

При скрап-процессе шихта на 60—80% состоит из стального лома и на 20-40% — из чушкового чугуна. Такой процесс используется на металлургических заводах, где нет доменных печей. Скрап-процесс позволяет вводить в состав стали легирующие добавки (марганец, хром, ванадий и др.), улучшающие качество стали.

При скрап-рудном процессе шихта  состоит на 60—75% из жидкого чугуна, небольшого количества железной руды и металлического лома. Этот процесс  используется на металлургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-рудный процесс — наиболее распространенный процесс плавки.

Емкость мартеновских печей  достигает 900 т. Время плавки составляет 3—6 часов. Достоинством мартеновского  способа является возможность широкого использования в составе шихты  металлического лома и получения  качественной стали. Основными недостатками мартеновского процесса следует  считать значительную продолжительность  плавки и большой расход топлива.

Выплавка стали в электрических  печах

Электросталеплавильный  процесс, появившийся в конце XIX в., благодаря поддержанию в плавильном пространстве повышенной температуры (порядка 2000 °С и выше),обеспечивает получение стали более высокого качества по сравнению с конверторным и мартеновским процессами. Высокая температура дает возможность полнее удалять примеси, вводить в состав стали тугоплавкие легирующие металлы, значительно повышающие ее прочность, твердость и коррозийную стойкость.

Электрические плавильные печи разделяются на дуговые и индукционные.

Дуговая электрическая печь (рис, 4) состоит из стального кожуха, футерованного огнеупорным кирпичом. Сверху через отверстия в своде  печи введены угольные электроды, Шихта  загружается через загрузочное  окно 1. Шихта плавится под воздействием высокой температуры, создаваемой  электрической дугой, возникающей  при прохождении электрического тока между электродами 2 и шихтой 3. Готовую сталь выпускают по желобу летки 4 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотного  механизма 5.

Рис. 4. Дуговая электрическая  печь

 

Рис. 5 Индукционная электрическая  печь

Емкость дуговых печей  колеблется от 0,5 до 400 т, длительность плавки составляет 3-6 часов,

В индукционной печи (рис, 5) плавка осуществляется в тигле из огнеупорного материала 1. Вокруг тигля  располагается спиральный индуктор 2, изготовленный из медной трубки, в  которой циркулирует охлаждающая  вода.

При прохождении тока через  индуктор в шихте 4 наводятся мощные вихревые токи, которые обеспечивают плавление шихты. Шихтовые материалы  загружаются сверху. Для выпуска  готовой стали тигель наклоняют  в сторону сливного желоба 3,

В индукционных печах выплавляют особо высококачественные стали. Вместимость печей составляет от десятков килограммов до 2—5 т металла. Продолжительность одной плавки составляет от 0,5 до 2,5 часов.

Электрометаллургический процесс - основной способ производства высококачественных и особо высококачественных и особо высококачественных сталей. Вместе с тем, себестоимость электростали значительно выше конверторной и мартеновской стали. Недостатком электрических печей является относительно малая вместимость, сложность и высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость электродов и тиглей, необходимость использования чистых шихтовых материалов.

 

Прогрессивные способы получения  стали

Бездоменная металлургия. Прогрессивным способом является получение стали прямым восстановлением из руд, минуя доменный процесс. Железистый концентрат поступает по пульпопроводу прямо на завод, где в автоматических шахтных печах при температуре 1000 °С получают металлизированные окатыши. Окатыши в качестве шихты поступают в электропечи. Полученный материал после непрерывной разливки сразу идет на прокатку.

Способ весьма экономичен. Отпадают затраты на коксохимическое  производство, качество полученной стали  высокое, поскольку в рудах Курской  магнитной аномалии практически  отсутствуют фосфор и сера. Производительность бездоменного процесса заметно выше традиционных способов выплавки стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП). Данным способом получают особо высококачественные легированные стали. Для этого сталь обыкновенного качества подается в установку ЭШП в виде прутков-электродов. Вследствие сопротивления электрода проходящему току выделяется большое количество теплоты, отчего электрод плавится. Расплавленный металл электрода проходит через слой специального жидкого шлака и очищается от вредных примесей и газов. Аналогичный способ — плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служит плазменная дуга с температурой до 10000 "С. Используется также электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Плавление происходит под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой с созданием в плавильном пространстве глубокого вакуума.

Достоинствами перечисленных  способов является возможность получения  стали и сплавов очень высокой  чистоты, применение которых облегчает  массу конструкций, увеличивает  надежность и долговечность машин  и механизмов. Такая сталь необходима для атомной, реактивной и космической  техники.

 

Сплавы цветных металлов

Сплавы меди нашли в  технике широкое применение в  качестве конструкционных материалов.

Бронзы — сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием. Эти сплавы более  прочны и коррозионностойки, чем  медь. Устойчивость к износу делает их незаменимыми для изготовления вклады шей подшипников, червячных колес, шестерен и других деталей машин  и приборов.

Сплав меди с цинком называют латунью. Применяют латуни с содержанием  цинка до 45%. По сравнению с медью  латуни дешевле, прочнее и устойчивее против коррозии. В технике применяют  деформируемые и литейные латуни. Деформируемые латуни (обрабатываются давлением) предназначены для изготовления листов, прутков, труб. Литейные латуни применяют для получения изделий  путем литья — втулок, деталей  санитарно-технической арматуры.

В машиностроении и строительстве  широко используют сплавы алюминия. Они  делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые  сплавы идут для получения листов, проволоки, ленты, фасонных профилей и  различных деталей. Наиболее известный  сплав — дюралюминий. Дюралюминий  хорошо деформируется как в горячем, так и в холодном состоянии. Упрочняющей  обработкой для него служит закалка,

В качестве литейных наибольшее применение нашли сплавы алюминия с  кремнием — силумины.

Силумины отличаются повышенными  по сравнению с алюминием механическими  свойствами, хорошей обрабатываемостью  резаньем и высокими литейными качествами. Силумины применяют, например, для отливки  блока цилиндров автомобильных двигателей, поршней и т. п.

Основы металловедения

Металловедение — наука, изучающая зависимость свойств  металлов от их строения и состава. Металловедение является базой для  разработки оптимальных технологических  процессов обработки металлов.

Свойства металлов

Металлами называются вещества, обладающие рядом специфических  свойств: характерным цветом, высокой  электро и теплопроводностью, прочностью, пластичностью, магнитными и другими  свойствами. Знание свойств металлов предопределяет области их применения.

Свойства металлов делятся  на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при  нагревании.

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим — жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием и ряд других.

Качественные характеристики свойств металлов устанавливаются  испытаниями. Основными видами испытаний  являются: механические испытания, химический, спектральный, металлографический и  рентгенографический анализы, технологические  пробы, дефектоскопия и др.