Виды производства стали. Специальные виды электрометаллургии.

Конвертерный способ получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун, находящийся в конвертере, продувается воздух, обогащенный кислородом.

    В статье представлен краткий обзор процесса выплавки стали, виды производства стали. Основы технологии получения стали. Сталь требуемого химического состава получают из передельного чугуна и соответствующих шихтовых материалов при различных способах ведения плавки, окисляя и удаляя примеси чугуна: Si, Р, S и др. Исходными материалами для выплавки стали, кроме передельного чугуна, являются: стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы. Получают сталь в конвертерах, мартенах, электропечах. Конвертерный способ получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун, находящийся в конвертере, продувается воздух, обогащенный кислородом. Так как в процессе окисления стали получается металл, насыщенный закисью железа, то для улучшения его свойств в расплавленную сталь вводят раскислители Si, Мn, А1 и др. Конвертер представляет собой печь грушевидной формы, вращающуюся во круг горизонтальной оси. При заполнении печи расплавленным чугуном конвертер находится в наклонном положении.

    Затем при помощи поворотного механизма его переводят в вертикальное положение и через отверстие в днище продувают воздух или кислород. Образующаяся вначале закись железа FeO, растворяясь в металле, вступает в реакцию с кремнием, марганцем, углеродом и фосфором, образуя Si02, МnО и фосфорные соединения, связываемые шлаком и СО, который, сгорая, удаляется с газом. В зависимости от состава исходного сырья и футеровки различают два вида конвертерного способа получения стали: кислый (бессемеровский) и основный (томасовский). При бессемеровском способе конвертер футеруют кислым огнеупором (динасом), при томасовском - основным (обожженным доломитом). В качестве флюса вводят известь. Мартеновский способ получения стали заключается в выплавке ее на поду пламенной печи из передельного чугуна и стального лома с добавкой руды и флюсов. Как и конвертерный, мартеновский способ выплавки стали может быть кислым и основным. Мартеновская печь представляет собой агрегат, нагреваемый сгорающим газообразным или жидким топливом, на поду которого находится расплавленный металл.

    Для повышения теплового эффекта газ и воздух предварительно нагревают в регенераторах, для дутья применяют кислород. Кислородно-конвертерный способ имеет преимущество перед мартеновским. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой кислорода обеспечивает высокое качество стали. Конвертерная и мартеновская стали могут быть кипящими и спокойными. Кипящая сталь менее однородна, чем спокойная, подвергающаяся перед отливкой в изложницы раскислению А1 или Si. Поэтому из кипящей стали не изготовляют ответственные сварные конструкции, а также конструкции, работающие в условиях повышенных температур, и др. Кипящая сталь хорошо поддается обработке под давлением. Электровыплавка стали состоит из окисления примесей чугуна и раскисления стали от закиси железа. Фосфор и сера при этом почти целиком переходят в шлаки. Для полного раскисления закиси железа в конце процесса вводят ферросилиций, а также легирующие примеси для получения особых сортов сталей.

    Современные электропечи бывают дуговые и индукционные. Сталь разливают обычно в металлические формы, называемые изложницами, двумя способами - сифонной разливкой, при которой металл поступает в изложницы снизу через центральный литник, и заливкой сверху. В последнее время применяют непрерывную разливку стали. При этом сталь попадает в охлаждаемую изложницу с временным дном (кристаллизатором) из куска металла. Жидкий металл при непрерывной заливке затвердевает в кристаллизаторе у стенок и дна, образуя слиток, состоящий из корочки металла и жидкой внутренней части, непрерывно движущийся вниз, в зону вторичного охлаждения. Затвердевший слиток разрезают на куски, поступающие в прокатные станы. При непрерывной разливке стали повышается выход металла, увеличивается производительность труда, не требуется изложниц, исключается необходимость в крупных обжимных станах, блюмингах и слябингах.

    Специальные виды электрометаллургии

    Для получения сталей и сплавов особо высокого качества и наиболее ответственного назначения применяют плавку в вакуумных дуговых и индукционных печах, а также электрошлаковый и другие методы переплава.

    Электрошлаковый переплав (ЭШП).

    Переплавляемый (рафинируемый) металл подается в установку в виде расходуемого электрода и плавится в слое шлака, нагретого до 2000 °С. Проходя через слой шлака, мелкие капли металла рафинируются. Под слоем шлака накапливается жидкий металл, постепенно заполняя весь кристаллизатор-изложницу. Затвердевший слиток опускают вместе с поддоном и устанавливают новый поддон для последующей плавки. Для переплава используют переменный ток (около 20 А на 1 мм диаметра электрода) с рабочим напряжением 45-60 В.

    Переплавляемые электроды представляют собой кованые или катаные прутки (штанги) круглого или квадратного сечения из рафинируемой стали, обычно выплавленной в электродуговых печах
    Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей.

    Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700 ºC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, Высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 тонн.

    Получению высококачественного бездефектного металла во многом способствуют также чрезвычайно благоприятные условия кристаллизации. В водоохлаждаемом кристаллизаторе происходит довольно быстрая кристаллизации металла, направленная в основном снизу вверх. Это приводит к получению плотного слитка с однородным строением, без усадочной пористости, зональной ликвации и других дефектов структуры, присущих обычным слиткам. Электрошлаковый переплав является значительно более простым способом по сравнению с другими способами получения высоко качественных сталей.

    Плавка в вакуумной дуговой печи

    Плавка в вакуумной дуговой печи – по существу переплав стали требуемого состава, выплавленной в открытой дуговой или другой печи. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений.

    Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом. Катод изготовляют механической обработкой слитка выплавляемого в электропечах или установках ЭШП.

    Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 тонн.

    Плавка в вакуумных индукционных печах

    Такая плавка дает возможность выплавлять сталь и сплавы с незначительным содержанием газов и неметаллических включений строго заданного состава. Принцип работы таких печей такой же, что и при открытой индукционной плавке. Различие состоит в том, что печное пространство герметизируется, в нем создается вакуум примерно до 0,133 Па, значение которого уже объяснено раньше. Разливку металла в основном проводят в вакууме. Этот способ не получил широкого распространения. Индукционные вакуумные печи сложны по устройству, стоимость переплава высокая.

    Электронно-лучевой переплав (ЭЛП).

    ЭЛП – плавление металла под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной пушкой. На облучаемой поверхности их кинетическая энергия переходит в тепловую.

    В плавильном пространстве создается глубокий вакуум. На рис. 6. представлена схема электронно-лучевой печи. Печь снабжена шестьюдесятью электронными пушками. Излучаемые электроны направляются на проплавляемый металл (расходуемый электрод) с помощью электромагнитов. Образующийся слиток вытягивается из кристаллизатора.

    Глубокий вакуум и выгодные условия затвердевания в охлаждаемом кристаллизаторе обеспечивают получение особо чистого металла. Электронно-лучевую плавку применяют для выплавки сталей особо высокой чистоты, а также вольфрамовых и других сплавов.

    Плазменно-дуговой переплав (ПДП)

    ПДП – один из способов получения сталей и сплавов очень высокой чистоты. Схема одного из вариантов плазменной дуговой печи для плавки сыпучей.

    Источником тепла является плазменная дуга, образующаяся между расплавляемым металлом и катодом плазмотрона; ее температура может достигать 10000-15000 К. В качестве рабочего газа для образования плазмы применяют аргон или гелий (расход 1-10 л/мин). Металл плавится в верхней части медного водоохлаждаемого кристаллизатора, а образующийся слиток вытягивается вниз. При плавке используют сыпучую шихту – дробленую стружку или прутки.

    Достоинствами являются: высокая температура, высокий коэффициент теплопередачи к расплавляемому металлу, возможность изменения скорости давления в широких пределах, простота обслуживания установки.

    Виды производства сталей.

    Сталь применяемая в МК производится 2-мя способами: в мартеновских печах и в конверторах с поддувкой кислорода сверху. Стали мартеновского и кислородно-конвертерного производства по своему качеству механич. св-вами практически одинаковы. Однако производство конвертерной стали проще и дешевле. По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Нераскисленные стали кипят при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной. Механ-ские св-ства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается более рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами), и в ней примесей углерода. Поэтому от слитка отрезают до 5% массы слитка. Кипящие стали  имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению. Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния  0,12-0,3%  или алюминием до0,1%; кремний ( или алюминий) соединяясь с растворенным кислородом уменьшает его вредное влияние. При соединении с кислородом раскислители образуют в  мелкодисперсной фазе силикаты и алюминаты, к-рые увеличивают число очагов кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры стали, что ведет к повышению ее качества механических св-в. Раскисленные стали не кипят при разливке в изложни поэтому их называют спокойными. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть состав-ляющую15%. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. Спокойные стали применяются при изготовлении ответственных   к-ций, подвергающихся статическим и динамическим воздействиям. Однако спокойные стали примерно на 12% дороже кипящих, что заставляет ограничивать их применение и переходить, когда это выгодно по технико-экономическим соображениям, на изготовление конструкции из полуспокойной стали. Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшем кол-вом кремния в размере 0,05-0,15%(редко алюминием). От головной части слитка отрезается меньшая часть равная 8% массы слитка. По стоимости полуспокойные стали также занимают промежуточное положение. Малоуглеродистые стали обычной прочности. Из группы малоуглеродистых сталей обыкновенного качества, производимых металлургической промышленностью по ГОСТ 380-71, для  строительных металлоконструкций применяется сталь марок Ст3 и Ст3Гпс. Сталь марки Ст3 производится кипящей, полуспокойной и спокойной. Малоуглерод. стали хорошо свариваются. В зависимости от назначения  стали поставляется по следующим 3-м группам: А-по механич.св-вам; Б-по хим.составу; В-по механ. св-вам и хим.сост. Поскольку для несущих стр-ных к-ций необходимо обеспечить прочность и свариваемость, а также надлежащее сопротивление хрупкому разрушению и динамич.воздейств., сталь для этих к-ций заказывается по группе В. Сталь марки Ст3 содержит углерода 0,14-0,22%, марганца в кипящей стали-0,3-0,6%, в полуспокойной и спокойной 0,4-0,65%, кремния в кипящей стали от следов до0,07%, и полуспокойной 0,05-0,17%, в спокойной 0,12-0,3%. Стали марки Ст3Гпс с повышенным содержанием марганца имеет углерода 0,14-0,22%, марганца 0,8-1,1%, кремния до 0,15%. В зависимости от вида к-ции и условий их эксплуатации к стали, из которой они изготавливаются, предъявляются те или другие требования по ГОСТ-380-71. углеродистая сталь разделена на шесть категории. Для всех категории стали марок ВСт3 и ВСт3Гпс требуется, чтобы при поставке гарантировались хим.состав, временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии. Требования ударной вязкости для каждой категории различны. Кипящая сталь изготавливается по 2-ой категории-ВСт3кп2, полуспокойная по 6-ой категории-ВСт3пс6, спокойная и полуспокойная с повышенным содержанием марганца- по 5-й категории-ВСт3сп5 и Вси3Гпс5. Маркировка стали согласно ГОСТ 380-71: вначале ставится соответствующее буквенное обозначение группы поставки, затем марки, далее степень раскисления и в конце категория. ГОСТ 23570-79 «Прокат из стали углеродистой свариваемой для стр-ных МК» ограничивает содержание азота, мышьяка, устанавливает более строгий контроль механических св-в. В обозначении марки стали по ГОСТ 23570-79 входит содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисления и при повышенном содержании марганца-буква Г. Прокат изготавливают из сталей 18кп, 18пс, 18сп, 18Гпс, 18Гсп. Значительная часть проката имеет механ. св-ва  некоторых карбидообразующих э-тов (молибден, ванадий) снижает эффект разупрочнения. Применения сталей высокой прочности приводит к экономии металла на 25-30% по сравнению с к-циями из малоуглер. Сталей и особенно целесообразно в больше-пролетных и тяжелонагруженных к-циях.Атмосферостойкие стали. Для повышения коррозионной стойкости МК применяют низколегированные стали, содержащие в небольшом кол-ве такие э-ты как хром, никель, медь. В к-циях подвергающихся атмосферным воздействиям, весьма эффективны стали с добавкой фосфора (10ХНДП и 10ХДП). На пов-ти таких сталей образуется тонкая окисная пленка, обладающая достаточной прочностью и защищая металл от раз-вития коррозии. Однако свариваемость стали при наличии фосфора ухудшается. Кроме того в прокате больших толщин металл обладает пониженной хладостойкостью, поэтому применение стали 10ХНДП и 10ХДП рекомендуется при толщинах не более 16мм. В больших (12-50мм) толщинах следует применять сталь 12ХГДАФ. В к-циях, совмещающие не-сущие и ограждающие ф-ции широко применяется тонколистовой прокат. Для повышения долговечности таких к-ций целесообразно применение не-ржавеющей хромистой стали ОХ18Т1Ф2, не содержащей никеля. Механические св-ва стали ОХ18Т1Ф2:
    характера нагружения, определяющего особенность работы матери­ала и конструкций при динамической, вибрационной и переменной на­грузках; вида напряженного состояния  (одноосное   сжатие или растяжение, плоское или объемное напряженное состояние)" и уровня возникающих напряжений   (сильно пли слабо нагруженные элементы);

    способа соединения элементов, определяющего уровень собственных напряжений, степень концентрации напряжений и свойства материала в зоне соединения; толщины проката, применяемого в элементах. Этот фактор учитыва­ет изменение свойств стали с увеличением толщины.

    В зависимости от условий работы материала все виды конструкций разделены на четыре группы в соответствии со СНиП II-23-81.

    К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающиеся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (например, под­крановые балки, балки рабочих площадок или элементы эстакад, непо­средственно воспринимающих нагрузку от подвижных составов, фасонки ферм и т.д.). Напряженное состояние таких конструкций характери­зуется высоким уровнем и большой частотой загружения.

    Конструкции первой группы работают в наиболее сложных услови­ях, способствующих возможности их хрупкого или усталостного разру­шения, поэтому к свойствам сталей для этих конструкций предъявляют­ся наиболее высокие требования. Ко второй группе относятся сварные конструкции, работающие на статическую нагрузку при воздействии одноосного и однозначного двух­осного поля растягивающих напряжений (например, фермы, ригели рам, балки перекрытий и покрытий и другие растянутые, растянуто-из­гибаемые и изгибаемые элементы), а также конструкции первой груп­пы при отсутствии сварных соединений. Общим для конструкций этой группы является повышенная опас­ность хрупкого разрушения, связанная с наличием поля растягивающих напряжений. Вероятность усталостного разрушения здесь меньше, чем для конструкций первой группы. К третьей группе отнесены сварные конструкции, работающие при преимущественном воздействии сжимающих напряжений (например, ко­лонны, стойки, опоры под оборудование и другие сжатые и сжато-изги­баемые элементы), а также конструкции второй группы при отсутствии сварных соединений. В четвертую группу включены вспомогательные конструкции и эле­менты (связи, элементы фахверка, лестницы, ограждения и т.п.), а так­же конструкции третьей группы при отсутствии сварных соединений. Если для конструкций третьей и четвертой групп достаточно огра­ничиться требованиями к прочности при статических нагрузках, то для конструкций первой и второй групп важным является оценка сопротив­ления стали динамическим воздействиям и хрупкому разрушению. В материалах для сварных конструкций обязательно следует оцени­вать свариваемость. Требования к элементам конструкций, не имеющих сварных соединений, могут быть снижены, так как отсутствие полей сварочных напряжений, более низкая концентрация напряжений и другие факторы улучшают их работу. В пределах каждой группы конструкций в зависимости от темпера­туры эксплуатации к сталям предъявляются требования по ударной вяз­кости при различных температурах.

    В СНиП II-23-81содержится перечень марок сталей в зависимости от группы конструкций и климатического района строительства. Окончательный выбор марки стали в пределах каждой группы дол­жен выполняться на основании сравнения технико-экономических пока­зателей (расхода стали и стоимости конструкций), а также с учетом за­каза металла и технологических возможностей завода-изготовителя. В составных конструкциях (например, составных балках, фермах и т. п.) экономически целесообразно применение двух марок стали — более вы­сокой прочности для сильно нагруженных элементов (пояса ферм, ба­лок) и меньшей прочности для слабо нагруженных элементов (решет­ка ферм, стенки балок).

    Коррозия – незащищённая поверхность металла под действием влаги и особенно под действием агрессивной среды подвергается коррозии.

    Под действием коррозии уменьшается площадь сечения и возникает концентрация напряжений, что приводит к снижению несущей способности. Скорость коррозии достигает 1,6мм в год и через 3-4 года конструкция выходит из строя. Степень агрессивности среды определяется скоростью коррозии.

    Сущ. 4 степени агрессивной среды:

                            1-неагресивная скорость 0,01мм в год.

                            2-слабая до 0,05мм в год.

                            3-средняя до 0,1 мм в год.

                            4-большая более 0,1мм в год.

    Затраты от коррозии ежегодно составляют до 3% от общего кол- ва металла.

    Методы защиты металла

                            -покрытие пов-ти плёнками из металла (ZnAl), пластмасс, лака, краски.

                            -введение в состав стали различных хим. эл-ов (Cr,V)

                            - предание конструкции обтекаемой формы.

    Типы коррозии классифицируются :

    По критериям природных процессов

                            -химическая

                            -электрохим.

                            -биометалич.

                            -биологическая.

    По критериям локализации коррозии

                            -атмосферная (делится на сухую, влажную(100%), мокрую)

                            -подземная

                            -подводная

                            -в морской воде.

    Факторы определяющие величину коррозии

    1-влажность и степень агрессивной среды

    2-хар-ки металлов (хим. cв-ва)

    3-температура эксплуатации

    4-вид и степень напряжённого состояния

    5-конструктивная форма элемента.

    Похожие товары

    Изображение
    Основные виды производства в строительстве, а именно бетон из пены цемента. Основные производственные фонды
    Одним из них - очень эффективным во всех отношениях и хорошо пригодным для любых видов малоэтажного домостроения является пенобетон. Пенобетон превосходит традиционные силикатный кирпич и керамический камень по многим параметрам, поэтому в этой статье мы рассмотрим этот относительно новый для российского рынка материал более подробно. Начнем с азов.
    Отзывы :0шт.
    Виды производства в экономике
    Производство - есть процесс воздействия человека на вещество природы в целях создания материальных благ и услуг, необходимых для развития общества. Исторически оно прошло длительный путь развития от изготовления простейших продуктов до производства сложнейших технических систем, гибких переналаживаемых комплексов, вычислительных машин. В процессе производства не только меняется способ и вид...
    Отзывы :0шт.
    Затраты производства и их виды. Классификация затрат на производство. Виды группировок затрат на производство
    Затраты, издержки, себестоимость являются важнейшими экономическими категориями. Их уровень во многом определяет величину прибыли и рентабельности предприятия, эффективность его хозяйственной деятельности. Снижение и оптимизация затрат являются одними из основных направлений совершенствования экономической деятельности каждого предприятия.
    Понятие затрат предприятия существенно различается в...
    Отзывы :0шт.
    Издержки производства: сущность, виды, структура. Издержки производства на предприятии
    Издержки производства сущность виды структура. Каждое предприятие, прежде, чем начать производство продукции, оп-ределяет, какую прибыль, какой доход оно может получить. Прибыль предприятия зависит от двух показателей: цены продукции и затрат на ее производство. Цена продукции на рынке есть следствие взаимо-действия спроса и предложения. Под воздействием законов рыночного цено-образования в...
    Отзывы :0шт.
    Основная характеристика некоторых видов производства.
    Виды производства — это категорийность производства продукта или услуги по видам организации структуры производственных факторов в отношении технологической структуры производства или структуры добавочной стоимости. Основная характеристика видов производства такова:
    Отзывы :0шт.