Переработка чугуна в сталь кратко

Обновлено: 05.07.2024

Характеристики железоуглеродистых сплавов в конструкциях зависят от формы сечения, пропорций основных химических элементов, цикла изготовления и сборки.

В рецептуру легированных сталей входят добавки, которые улучшают механические свойства базового состава.

Как получают стальной прокат из чугуна?

Металлургические предприятия выпускают полуфабрикаты, которые отличаются составом, формой, размерами. Сначала минеральное сырье плавят в печах. Выбор технологии зависит от дальнейшего использования:

Железорудные окатыши применяют в доменных печах для двухэтапной выплавки. После первой стадии получают литейный и передельный чугун.
Из ферросплавов производят легированные металлы.
Стальные слитки применяют в двух направлениях. Первая категория — для изготовления сортового проката: труб, листов, кругов. Из продукции второй группы производят изделия специального назначения: крупные роторы, турбины, диски, валы.

Передельный чугун

Состав передельного чугуна включает элементы:

углерода: 4,0-4,4%;
серы: 0,03…0,07%;
фосфора: 0,15…0,3%;
марганца: 0,25…1,5%;
кремния: 0,6-0,8%.

При плавлении чугуна в печах количества углерода и примесей уменьшается. Вредные вещества окисляются, изменяют физическое состояние, испаряются. Часть примесей образуют твердые соединения: золу и шлак.

Чтобы ускорить выплавку и снизить расходы, к массе добавляют скрап. По сравнению с чугуном, в стальном ломе углерода меньше. Добавка улучшает состав слитка.

Этапы производства стали из чугуна

Для производства сталей применяют оборудование:

мартеновские печи;
электроплавильные установки;
кислородные конвертеры.

Когда слиток готов, полуфабрикат обрабатывают на прокатном стане. Направление деформирования — вдоль, поперек, комбинированным (продольно-винтовым) способом. Цель прокатывания — придать сплаву нужную форму. Заготовку пропускают между расположенными на одной оси валками.

В зависимости от требований к точности, выполняют деформирование по стандартному циклу или назначают дополнительную операцию Соответственно, используют валки с гладкой поверхностью или инструмент для калибровки.

После стандартной обработки получают продукцию массового спроса — сортовой или фасонный прокат. Изделия применяют для обычных конструкций и ответственных сооружений. Калиброванный прокат стоит дороже и выдерживает повышенные нагрузки.

Методы взятия образцов - определение основных химических элементов

Чаще для определения химического состава сплава применяют инструментальные методы.

Разновидности технологий для определения основных химических элементов:

спектральный (спектрометрический);
эмиссионный химический;
рентгенофлуоресцентный;
металлографический;
рентгенографический (РФА).

Контроль образцов из чугуна и стали

Состав материала проверяют при выплавке, дальнейшей обработке, эксплуатации, капитальном ремонте. Чтобы определить массовую долю химических элементов, берут пробу. Требования к отбору образцов для спектрального анализа перечислены в ГОСТ 7565-81.

Стандарт определяет время взятия пробы стали. Критерий зависит от технологии производства, места и оборудования:

после разлива ¾, ½ или ¼ ковша;
из тигля, если металл плавят в индукционной печи;
до начала разлива, когда используют автоматические линии.

Для испытаний применяют оборудование: стилоскопы, лазерные, рентгенофлуоресцентные и оптико-эмиссионные спектрометры.

Согласно стандарту, масса стали для проведения химического анализа составляет 0,3-2,0 кг. Расплав охлаждают и маркируют: указывают номер ковша, плавки и пробы.

Образец готовят к испытаниям:

удаляют смазку;
получают стружку строганием, сверлением, фрезерованием;
охлаждают массу в дистиллированной воде, чтобы предотвратить появление цветов побежалости.

Если размеры стружки менее 0,4 мм, металл помещают в закрытую емкость.

Для некоторых видов испытаний используют бруски. Расплавленный сплав выливают в форму и дают застыть. Чтобы провести спектральный анализ, у бруска отрезают нижнюю часть толщиной 1,5-2,0 мм.

Для определения основных химических элементов в готовом прокате используют образец, отобранный при выплавке. Максимальное время хранения пробы — не менее трех месяцев. Если срок вышел, из партии проката берут образец. Способы подготовки пробы такие, как при производстве стали.

Что такое спектрографический анализ?

Требования к проверке перечислены в ГОСТ 27809-95. Спектрографический метод — комбинированный (количественный и качественный) способ получения результатов.

В исследовании используют принцип разложения энергии по линиям спектра. В состоянии активности каждый элемент таблицы Менделеева испускает лучи света. Длина волны (цвет, насыщенность) зависит от состава сплава. Энергию пропускают через призму, которая расщепляет световой поток. Массовую долю элемента определяют по интенсивности излучения.

Чтобы возбудить атомы стали, образец подвергают действию электрической дуги. Испытания проводят в нормальных условиях или при пониженном давлении атмосферы. Прибор фиксирует спектр на фотопластинке.

Для определения процентного соотношения веществ сравнивают информацию об исследуемом и эталонном образце. Чем больше почернение спектральных аналитических линий, тем выше плотность вхождения химического элемента.

Вместо эталонного образца используют градуированный чертеж. Прибор сравнивает результаты на фотопластинке и контрольном изображении. По разнице показаний определяют массовую долю железа, марганца, серы и других веществ.

Оборудование для проведения испытаний:

генераторы (высоковольтного тока и электрической дуги);
микрофотометры;
спектропроекторы;
образцы (СОП, ГСО, ОСО);
фотопластинки, химреактивы, другие устройства.

В стандарте о методе проведения анализа указана таблицы с перечислением названий основных химических элементов, длиной спектральных волн (отдельно — при действии искры и дуги), интервалами массовых долей веществ.

Рентгенографические методы проверки целостности трубы

Пустотелый прокат используют для транспортировки жидкостей и газов. От целостности стенок зависит расходование энергоресурсов, чистота окружающей среды, безопасность людей.

Рентгенографический анализ относят к неразрушающим методам проверки. Принцип действия основан на проникновении лучей через стенки трубы. О состоянии объекта судят по изображению на рентгенографической пленке. Если структура нарушена, лучи легко проходят через стенки. Чтобы определить место с дефектом, на снимке находят светлые участки.

Все требования к неразрушающим способам контроля сварных конструкций перечислены в ГОСТ 23055-78. Номер инструкции по проведению исследования рентгенографическим способом — РДИ 38.18.020-95.

Это основные способы проверки стальных изделий после выплавке и во время эксплуатации.

Производство сварочного железа сохранилось до середины XIX в.

Жидкая сталь получалась в это время путем переплавки сварочного железа с добавкой углерода в тиглях (тигельная сталь).

В течение 1854—1856 гг. Бессемером был разработан новый способ получения жидкой стали из чугуна.

Сущность этого способа заключается в том, что через расплавленный доменный чугун продувается воздух и кислород воздуха окисляет примеси чугуна непосредственно и через закись железа.

Реакция окисления железа и примесей (Mn, Si) проходит с выделением тепла (экзотермически), и температура чугуна но мере выгорания примесей не понижается, а, наоборот, повышается до 1600°.

Эта температура превышает температуру плавления стали, и к моменту окончания процесса окисления сталь остается жидкой.

Производство литой стали по этому способу (бессемерование) осуществляется в специальных аппаратах (конвертерах), представляющих собой грушевидный сосуд из листового железа, выложенный внутри кислым огнеупорным материалом — динасом (рис. 41).

В отъемном днище конвертера имеются отверстия для продувки воздуха (фурменные отверстия). Воздух подается под давлением до 2,0 атм. Конвертер с помощью червячной передачи может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Положение его в различных стадиях процесса показано на рис. 41.

Емкость современных конвертеров равна 25—35 т жидкого чугуна.

Переработке в бессемеровском конвертере с кислой футеровкой, или, как говорят, кислому конвертированию, подвергаются передельные доменные чугуны (бессемеровские), содержащие небольшое количество кремния (0,9—1,6%) и марганца (0,6—1,2%), и практически не содержащие фосфора и серы (марки Б1).

В процессе продувки чугуна в конвертере различают три периода:

Период дыма продолжается 1,5—2,0 мин., конвертер поворачивают в горизонтальное положение, и дутье прекращается.

Таким образом, весь процесс окисления примесей длится 10—12 мин.

Полученная в конвертере в конце третьего периода жидкая сталь содержит большое количество кислорода в виде закиси железа и не может быть применена для изготовления полуфабрикатов или отливок, так как присутствие в ней кислорода придает стали хрупкость и красноломкость. Кроме того, состав полученной стали не всегда соответствует составу, требующемуся по ГОСТ.

Таким образом, вслед за третьим периодом конвертирования наступает период раскисления жидкой стали, целью которого является извлечение растворенного в ней кислорода. Длительность этого периода 2—4 мин.

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

Прежде чем перейти к описанию собственно сталеплавильного производства, посмотрим, какие бывают типы стали, поскольку от этого, в определённой степени, зависит способ производства того или иного вида стали.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. Основным элементом, определяющим свойства углеродистых сталей, является углерод. По его содержанию различают стали низкоуглеродистые с 0,25 % С и менее, среднеуглеродистые с 0,25-0,60 % С и высокоуглеродистые с 0,60-2,0 % С. Легированными сталями называют стали, в состав которых для получения требуемых свойств вводят один или несколько легирующих компонентов. К легирующим компонентам относят Cr, Ni, Mo, V, W, Со, Ti и др. Кроме того, к легирующим элементам относятся также Мn и Si, если они содержатся в большем количестве, чем в обыкновенных сталях. Стали различают в зависимости от суммарного содержания легирующих компонентов: низколегированные (менее 2,5 %); среднелегированные (от 2,5 до 10 %); высоколегированные (более 10%).

Марки сталей имеют условные обозначения, выраженные буквами и цифрами, отображающими химический состав стали: хром – X, никель – Н, кобальт – К, кремний – С, вольфрам – В, ванадий – Ф, молибден – М, марганец – Г, медь – Д, фосфор – П, титан – Т, алюминий – Ю, селен – Е, бор – Р, азот – А, ниобий – Б. Цифры, следующие за буквами, указывают среднее содержание данного элемента в процентах, если за буквой отсутствует цифра, значит, содержание данного элемента около 1%.

По назначению прокатываемые стали разделяют на конструкционные, инструментальные и специальные. К наиболее распространенным сталям относятся конструкционные углеродистые и легированные стали.

Качественная конструкционная углеродистая сталь обозначается так: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65. Двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента с нормальным содержанием марганца, а стали марок 15Г, 20Г, З0Г, 40Г, 50Г, 60Г, 70Г – с повышенным содержанием марганца.

К прокатываемым углеродистым инструментальным качественным сталям относят стали марок У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Буква У обозначает: сталь углеродистая инструментальная, а цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

К конструкционным легированным сталям относят стали:

К прокатываемым легированным инструментальным сталям относят:

сталь для режущего и мерительного инструмента (7ХФ-11ХФ, 13Х, ХВ4, 9X1, X, 12X1, ХГС, ХВГ и др.);
сталь для штампового инструмента (Х6ВФ, Х12, Х12ВМ, ЗХ2ВФ, 7X3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ и др.);
сталь для ударного инструмента (4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.).

Для режущего инструмента, который работает со снятием стружки при высоких скоростях резания, широко используют быстрорежущую сталь. Её отличает высокая красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твёрдость, прочность и износостойкость при температуре до 600 °С. Эти стали обозначают буквой Р, следующая цифра означает среднее содержание W в процентах. Буквы Ф и К и цифры после них обозначают среднее содержание V и Со соответственно. Основными легирующими компонентами быстрорежущей стали Р9 и Р18 являются Cr, W, V. Высокая красностойкость быстрорежущих сталей обеспечивается за счёт добавки W.

Также существуют легированные стали с особыми свойствами:

Легирующие элементы вносятся в жидку сталь в составе ферросплавов – сплавов на основе железа с высоким (десятки процентов) содержанием вносимого элемента. Ферросплавы, за редким исключением, производят в электропечах специальной конструкции на ферросплавных заводах.

Чугун может как транспортироваться непосредственно в печь для выплавки стали, так и накапливаться в промежуточной ёмкости – миксере, где происходит его усреднение по химсоставу. Кроме того, чугун предварительно может подвергаться обработке с целью удаления вредных примесей – серы и фосфора, а также части кремния, что положительно влияет на технологию выплавки стали.

В случае, если сталь выплавляется в конвертере, в него сначала загружается лом, затем заливается чугун. После этого конвертер приводят в вертикальное положение, опускают фурму и начинают продувку кислородом. Также в конвертер добавляют (присаживают) шлакообразующие материалы, чаще всего – известь. Шлак предохраняет поверхность металла от окисления, снижает вероятность выплёскивания металла, а также очищает (рафинирует) металл от некоторых примесей. Кроме того, в шлак переходят образующиеся при продувке оксиды окисляющихся при этом элементов – кремния, марганца и железа.

По ходу продувки регулярно проводятся анализы металла и газа с целью определения момента окончания продувки. После окончания из повёрнутого (поваленного) конвертера через горловину скачивают шлак, а затем через выпускное отверстие сливают металл.

Помимо наиболее распространённого конвертера с верхней продувкой также существуют конвертеры с продувкой через дно, снизу, а также комбинированные конструкции.

Часть ферросплавов подают в ковш, в который выпускается металл из конвертера, однако окончательная обработка и легирование стали производят в так называемых установках доводки металла (УДМ). Они вошли в металлургическую практику не так давно – в конце XX века, в связи с более жёсткими требованиями, предъявляемыми потребителями к свойствам стали. Эти требования связаны, прежде всего, с содержанием в стали таких элементов как азот и водород, ухудшающих механические свойства стали и приводящих к образованию дефектов.

Для удаления из металла растворённых газов используются два способа: продувка аргоном и вакуумирование. В первом случае металл снизу через пористую пробку продувается аргоном, в пузырьки которого переходят растворённые в металле газы. При вакуумировании металл постепенно просасывается через камеру (не входит в состав УДМ), из которой откачан воздух. Поскольку давление в камере чрезвычайно низко, создаётся градиент давлений, увлекающий газы из металла в камеру.

Для того, чтобы металл не остыл в процессе обработки, в установке доводки металла его подогревают электрической дугой. Также в УДМ добавляют в необходимом количестве ферросплавы для получения стали заданного состава.

В случае использования вместо конвертера электропечи технология плавки зависит от исходного сырья. Если используется чугун, то для его окисления в жидкий металл добавляется оксидный материал – агломерат или окатыши. При этом оксид железа, взаимодействую с углеродом чугуна, восстанавливается до железа, а сам углерод окисляется и удаляется в виде газа. Для нагрева используют тепло электрической дуги. Иногда для окисления углерода используют кислород, который вводят сбоку печи через фурму.

Если же печь переплавляет лом, без использования чугуна, то он расплавляется с помощью электрической дуги, а затем его состав корректируют присадкой ферросплавов. В обоих случаях также используют шлакообразующие материалы для наводки шлака. После выпуска металл также подвергается доводке на УДМ.

Ковш с выплавленным в конвертере или электропечи и доведённым на УДМ металлом направляется на установку непрерывной разливки (УНРС или МНЛЗ). Главная её часть – медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Жидкий металл, контактирующий со стенками кристаллизатора, быстро образует тонкую корочку, за которую он вытягивается из кристаллизатора. На выходе его захватывают тянущие ролики, которые медленно тянут слиток дальше.

Поскольку кристаллизатор соединён с промежуточным ковшом, в котором постоянно находится жидкий металл, при вытягивании слитка в кристаллизатор тут же поступает новая порция металла, то есть внутри кристаллизатора также всегда есть металл и процесс идёт непрерывно, то есть образуется как бы бесконечный слиток.

На выходе из кристаллизатора слиток имеет жидкую середину и постепенно охлаждается, застывая во всём объёме. Вместе с тем тянущие ролики изгибают его, меняя траекторию его движения от вертикальной к горизонтальной (менее распространены горизонтальные и вертикальные прямолинейные установки). При выходе на горизонтальную плоскость непрерывный слиток режется газовыми резаками на мерные длины – таким образом получаются слябы или квадратная заготовка, которая затем направляется на прокатку.

1 – производство агломерата, 2 – коксохимическое производство, 3 – доменное производство, 4 – конвертерный цех, 5 – электросталеплавильный цех

Непрерывная разливка также может осуществляться с помощью литейно-прокатных комплексов (ЛПК). Кристаллизатор ЛПК имеет подвижные стенки, образованные поверхностью вращающихся водоохлаждаемых роликов. Благодаря этому можно получить не сляб, а сразу лист, который, после обжатия в валках, является конечной продукцией. Такая схема исключает ряд операций нагрева и прокатки и существенно снижает затраты ресурсов на эти операции

Читайте также: