Лекція 2.1 Загальні відомості про виробництво чавуну та сталі

Мета:Ознайомити студентів з основними металургійними процесами та вихідними матеріалами для виробництва чавуну і підготовкою їх до плавки доменного виробництва, способами прямого відновлення заліза з руди. Основні способи виробництва та розливання сталі.

1 Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів.

2 Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.

3. Характеристика палива та флюсів, що застосовуються в металургії.

4. Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування.

5. Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.

6. Інтенсифікація доменного процесу.

7. Пряме відновлення заліза з руди.

8. Поняття про виробництво сталі із чавуну.

9. Характеристика конвертерного способу виробництва сталі.

10. Характеристика мартенівського способу виробництва сталі.

11. Характеристика способу виробництва сталі в електропечах.

12. Комбіновані способи виробництва сталі.

13. Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі.

14. Поняття про способи одержання високоякісної сталі.

Рекомендована література

[2. с. 25 –42, 42 – 68; 4. с. 26 – 39, 39 – 58; 6. с. 14 – 23, 23 – 38; 7. с. 22 – 29]

Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів. Галузь промисловості, що займається виробництвом металів і сплаві з руди та іншої сировини, наука про способи одержання та очистки металів називається металургією.

Спочатку залізо одержували безпосередньо із руди відновленням в горнах. Внаслідок насичення заліза вуглецем, одержували сплав крихкий, але з гарними ливарними якостями. Цей сплав назвали чавуном. Потім чавун почали переробляти в сталь – сплав з меншим, ніж у чавуні, вмістом вуглецю, марганцю, кремнію та ін., що володіє високою пластичністю і міцністю. Двохстадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуну в доменній печі і переробка його в сталь – є і сьогодні основною.

Характеристика матеріалів, що застосовуються в металургії. Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо і вогнетривкі матеріали.

Руда – це гірські породи, що містять метали в кількостях, що забезпечують їх економну переробку. Скажімо, залізні руди містять 30...60 % металу. Руда складається із мінералів, що містять метал у вигляді окислів, сульфідів, карбонатів і пустої породи, до складу якої входить кремнезем SiO₂ , глинозем Al₂O₃ , а також домішки сірки, фосфору, миш’яку та ін.

Флюси – це матеріали, що утворюють при плавці шлак – легкоплавку сполуку з пустою породою руди, золою палива і іншими неметалічними включеннями. Звичайно шлак володіє меншою густиною, ніж метал, що виплавляється, тому він розташовується над ним, захищаючи його від взаємодії з пічними газами і повітрям.

Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний коксовий газ, мазут.

Кокс одержують сухою перегонкою кам’яного вугілля без доступу повітря при температурі 1000...1100 ºС. Він містить 85...90 % С, має високу питому теплоту згоряння, малу зольність.

Природний газ – висококалорійне дешеве паливо і складається в основному із метану СН₄.

Доменний газ – побічний продукт при виплавці чавуну в доменній печі (містить до 32 % СО, до 4 % Н₂).

Мазут – важкий залишок перегонки нафти, містить до 88 % С, 10...12 % Н₂ і невелику кількість кисню та сірки.

Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішнього облицювання (футерівки) плавильних печей і іншого обладнання, що знаходиться під дією високих температур і розплавлених металів і шлаків. Це динасова цегла, кварцовий порошок, шамот, хромомагнезит та ін.

Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.На сучасному етапі до 85 % чавуну витрачається на виробництво сталі.

Сировиною для виплавки чавуну служать залізні руди, флюси і паливо. Залізо в рудах в основному знаходить у вигляді окислів, рідше у вигляді карбонату FeCO₃. Серед залізних руд використовуєтьсямагнітний залізняк, що містить до 65 % заліза у вигляді магнітного окислуFe₃O₄(магнетит),червоний залізняк, що містить до 60 % заліза у вигляді безводного окислуFe₂O₃(гематит),бурий залізняк, що містить до 50 % заліза у вигляді гідроокису 2Fe₂O₃·3Н₂О (лимоніт) таFe₂O₃·Н₂О (гетит) – це бідні руди забруднені миш’яком та фосфором,шпатовий залізняк– бідна руда, що містить до 40 % заліза у вигляді карбонатуFeCO₃ (сидерит), містить небагато сірки та фосфору.

Основна маса руди (приблизно 95 %) проходить стацію попередньої підготовкидо плавки, що включає в себеподрібнення,сортування,збагаченнятакускування. Спочатку руду подрібнюють, а потім сортують. Придатними для плавки вважаються шматки (куски) розміром 40...100мм. Більше 80 % всіх руд піддають збагаченню, шляхоммагнітної сепарації. Попереднім випалюванням руди при температурі 600...800ºС немагнітні окисли переводять у магнітні.

Паливо в процесі виплавки чавуну в доменній печі виконує роль не тільки пального, але й відновлювачем заліза з руди.

Флюсами при виплавці чавуну в доменній печі служать вапняк СаСО₃ або вапняк, що складається з СаСО₃ та MgСО₃.

Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування. Чавун із залізної руди виплавляють вдомнах– вертикальних печах шахтного типу.

Для виплавки чавуну в домну завантажують шихту– суміш певного співвідношення руди, палива і флюсів. Окремі порції шихти називаютьсяколошами. Колоші з бункера (слайд 2.1-1, плакат) подаються вагонетками у приймальну воронку засипного апарату. Шихта попадає по черзі вколошникі далі вшахтупечі. Шихта завантажується в домну періодично (бо домна відноситься до печей безперервної дії протягом 5...10 років) по мірі згоряння палива і випуску чавуну і шлаку.

Найширша циліндрична частина домни називається розпаром. Нижче нього знаходяться звужувальнізаплечикиігорн, обмеженийлещаддю. В нижній частині горна розташованіливникидля випуску чавуну і шлаку.

Для підтримання горіння палива в домену піч через ряд розташованих по колу фурмвдувається під тиском до 0,25 МПа повітря. Витрати повітря на виплавку 1тчавуну становить 3000...7000м³/хв.

Основними характеристиками доменної печі служать її корисна висота (відстань від лещаді до нижнього конуса засипного апарату) і корисний об’єм (робочий об’єм, заповнений шихтою і продуктами плавки). Сучасні домені печі мають: корисний об’єм 2000...5000 м³, добову продуктивність 3000...10000т, корисну висоту до 35м.

Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.Демена піч працює по принципу протитоку: шихтові матеріали рухаються зверху вниз, а назустріч їм піднімається потік гарячих газів – продуктів згоряння палива. При цьому відбуваються наступні процеси: горіння палива, відновлювання та збагачення заліза вуглецем (“науглераживание”), відновлення інших елементів, утворення шлаку.

При температурі 750...900 ºС в шихті відновлюється залізо:

3Fe₂O₃+СО = 2Fe₃O₄+СО₂;Fe₃O₄+СО = 3FeO+СО₂;FeO+СО =Fe+СО₂.

В результаті цих реакцій утворюється тверде губчасте залізо. При температурі 1000...1100 ºС губчасте залізо збагачується вуглецем:

3Fe+2CO=Fe₃С+СО₂; 3Fe+C=Fe₃С.

Вуглець знижує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому, опускаючись в нижню частину шахти, сплав починає плавитися додатково насичується вуглецем та іншими елементами, відновленими з руди – марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою.

Таким чином, в результаті відновлення заліза, марганцю, кремнію, фосфору та сірки і їх розчиненні в залізі в горні печі утворюється чавун. Разом з чавуном в нижній частині печі збирається шлак – сплав пустої породи, флюсів, золи палива, а також частина невідновлених окислів.

В процесі утворення і накопичення чавун і шлак по різним ливникам випускають із печі: чавун – через 3...4 год., а шлак – через 1,0...1,5 год.

Інтенсифікація доменного процесу.Для інтенсифікації процесу плавки і більш економної витрати палива повітря, що вдувається, попередньо нагрівають до 1000...1200ºС у повітронагрівачах (кауперах).

Поняття про виробництво сталі із чавуну. Сталь відрізняється від чавуну меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, домішок сірки та фосфору. Основною сировиною для виробництва сталі є передільний чавун та стальний металобрухт. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 %Si, 0,6...3,5 %Mn, 0,07...1,6 %P, 0,03...0,08S. Суть переробки чавуну в сталь полягає у зменшенні в ньому вмісту вуглецю та інших елементів і переводу їх у шлак або гази. То ж сталь одержують окисленням надлишку С,Si, Mn, S та P.

На сучасному етапі сталь одержують в кисневих конвертерах, мартенівських та електричних печах.

Характеристика конвертерного способу виробництва сталі. Суть киснево-конвертерного процесу полягає у продуванні рідкого чавунукиснем. Кисневий конвертер представляє собою посудину грушовидної форми із стального листа, внутрішня частина якого футерована основними вогнетривкими матеріалами (слайд 2.1-2, плакат). Робоче положення конвертера – вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1,0 МПа за допомогою водоохолоджуваної фурми, що введене в конвертер через горловину і розташована над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8м.

Перед початком роботи конвертер завантажують до 30 % стального брухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 ºС, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають шлакоутворюючі матеріали.

В момент, коли вміст вуглецю досягає заданого для даної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім – шлак. Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год, в той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год.

Характеристика мартенівського способу виробництва сталі. Матеріалами для виплавки сталі в мартенівській печі можуть бути: стальний брухт, рідкий і твердий чавуни, залізна руда. Флюсом служить вапняк СаСО₃ (8...12 % від маси металу). Спочатку в піч завантажують і прогрівають залізну руду і вапняк, потім додають стальний брухт (скрап) і заливають рідкий чавун. Для інтенсифікації процесу плавлення і окисленні домішок ванну продувають киснем. Продувка киснем дозволяє скоротити тривалість процесу у 2...3 рази, зменшити витрати палива і залізної руди.

Характеристика способу виробництва сталі в електропечах. Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі володіють рядом переваг: здатністю швидкого нагрівання і підтримання заданої температури в межах 2000ºС, можливістю створення окислювальної, відновлювальної та нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дозволяє виплавляти в електропечах сталі і інші сплави з мінімальною кількість шкідливих домішок та сталі зі спеціальними властивостями. Металургійні печі поділяють на дугові і індукційні.

У дуговій електропечі джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами діаметром 350...550 мм і шихтою при подачі на електроди напруги 200...600 В і струму 1...10 кА. Плавка з окисленням схожа з мартенівським процесом. Плавка без окислення застосовується для одержання легованих сталей.

Індукційні печі порівняно з дуговими мають ряд переваг:

- відсутність дуги дозволяє виплавляти метали з малим вмістом вуглецю і газів; - виникаючі електродинамічні сили перемішують рідкий метал, вирівнюючи хімічний склад і умови спливання неметалічних включень;

- ці печі маю невеликі розміри, що дозволяю розміщувати їх в спеціальних камерах, створюючи будь-яку атмосферу чи вакуум.

В цих печах плавку звичайно проводять методом переплавки легованих сталей або чистого по сірці та фосфору вуглецевого скрапу і феросплавів.

Тривалість плавки в індукційній печі ємністю 1 т складає 45 хв., витрати електроенергії на 1 т сталі – 600...700 кВт·год.

Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі. Виплавлену в плавильній печі сталь випускають у сталерозливний ківш і мостовим краном переносять до місця розливання злитки. Сталь розливають у виливниці (“изложницы”) або кристалізатори установок для безперервного розливання.

Виливниця представляє собою чавуну форму для одержання злитків різного перерізу (слайд 2.1-3, плакат). Маса злитків для прокату становить 10...12 т, а для поковок досягає 250...300 т. Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху і сифоном. Розливання сифоном здійснюється у виливниці внизу вверх одночасно у 2...60 встановлених на піддоні виливниць через центровий літник і канали у піддоні. При цьому забезпечується плавне, без розбризкування їх заповнення; поверхня злитка – чиста, скорочується час розливання.

Пряме відновлення заліза з руди.Заслуговує на увагу розробка процесу прямого відновлення заліза з руди. Виключення із виробництва сталі проміжного процесу – одержання чавуну – економічно вигідне. Задача складна.

Найбільш розповсюдженим є виробництво губчастого заліза. Це пористий напівпродукт (95 % заліза, 5 % оксидів заліза, 0,01...0,016 % Sі 0,01 Р, домішок породи та ін.), що виплавляється у сталеплавильних агрегатах, у сталь. Відновлення шихти ведеться у невеликих за висотою шахтних печах у суміші газів СО+Н₂. Як і у доменних печах, процес заснований на принципі протитоку: залізорудні матеріали завантажують зверху, а відновлювальні, нагріті приблизно до 1200ºС, гази поступають знизу. В зоні відновлення температура становить 850...900 ºС.

Поняття про способи одержання високоякісної сталі. Для одержання високоякісної сталі застосовують методиспеціального переплавлення, що покращують структуру сталі і її властивості. До таких методів можна віднести переплав увакуумній індукційній печі(одержується сталь чиста по газам, сірці та фосфору), увакуумній дуговій печі, електрошлаковий переплав, позапічна обробка тощо.

Лекція 2.2 Основи теорії та технологія термічної обробки металів. Поверхневе зміцнення сталі

Мета:Ознайомити студентів з теорією та класифікацією термічної обробки, основними операціями, їх різновидами та виконанням. Дати поняття про поверхневе зміцнення металів та одержаними при цьому властивостями.

1. Значення термічної обробки в машинобудуванні.

2. Основи теорії термічної обробки матеріалів.

3. Класифікація видів термічної обробки.

4. Явища, що супроводжують процес нагрівання металу.

5. Характеристика операцій термічної обробки: відпал, нормалізація, загартування, відпуск.

6. Поняття про термомеханічну обробку металів.

7. Поняття про поверхневе зміцнення металів.

8. Поняття про хіміко-термічну обробку металів.