Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

(міксери), машини для забивання та розкривання ливників, прилади для

контролювання та автоматизованої виплавки.

Виплавка чавуну (див. рис. 5.3) має такі стадії: горіння вуглецю палива,

розкладання компонентів шихти, відновлення заліза з його оксидів,

вуглецювання відновленого заліза та утворення чавуну і шлаків. Чавун і

шлак, які утворилися в печі, випускають через ливники: чавун — через

(1,5...2) год, шлак — через одну годину. Чавун виливають у спеціальний ківш

місткістю (60... 100) т для вивезення його з домнового цеху на подальшу

переробку. Більшу частину чавуну зливають у ковші місткістю (600...2500) т

для його стабілізації за хімічним складом і температурою, часткового

вигоряння з нього сірки. Шлак використовують як будівельний матеріал для

виготовлення цегли, брущатки, шлакоблоків, шлаковати тощо. Більшу

частину його гранулюють і використовують як сировину для виготовлення

цементу. Домно-вий колошниковий газ після очищення від пилу

використовують як теплоносій. Колошниковий пил використовують для

виробництва агломерату.

Головні напрями удосконалення домнового виробництва — збільшення

потужності печей, поліпшення їх конструкції та якості шихтових матеріалів,

застосування самоплавкого офлюсованого агломерату, зволоженого повітря

та збагаченого киснем повітря, природного газу, підвищення температури

дуття.

5.3. Характеристика, хімічний склад і класифікація чавуну

Продукт домнового виробництва чавун — залізовуглецевий сплав, який

складається із заліза (до 92%) і вуглецю (2,14...5%), домішок силіцію — до

4,3%, манганіту — до 2%, сірки — до 0,07% і фосфору — до 1,2%. Хімічний

склад і призначення чавуну залежать від механічних властивостей і стану

вуглецю в доев-тектичному залізо-вуглецевому сплаві. У машинобудуванні

використовуються чавуни з певним вмістом вуглецю. Вуглець може бути в

зв'язаному стані, утворюючи цементит, який сприяє появі особливих

механічних властивостей, а в зламі має характерний білий колір. Якщо злам

сірого кольору, то вуглець у ньому міститься у вільному стані у вигляді

графітних домішок кулястої чи пластинчастої форми, завдяки чому він

набуває певних ливар-

228

них і механічних властивостей. Залежно від вмісту, розмірів і розміщення

графітових включень чавуни поділяють на звичайні, високоміцні, ковкі тощо.

За кольором зламу чавуни бувають білими й сірими, а за призначенням їх

поділяють на переробні, ливарні та спеціальні (домнові феросплави —

дзеркальний чавун, феросиліцій та фероманган).

Чавун, який в основному переробляють на сталь, називають переробним. За

ДСТУ 3133-95 його випускають марок ПІ, П2 — для сталеплавильного і ПЛІ,

ПЛ2 — для ливарного виробництва, ПФ1, ПФ2, ПФЗ (фосфористий), ПВК1,

ПВК2, ПВКЗ (високоякісний) із вмістом сірки не більше 0,010% і фосфору не

більше 0,015% і відзначається незначна масова частка титану, алюмінію і

арсену. У переробному чавуні, виплавленому з руди, що містить мідь, в

документі про якість вказують густину міді. Переробний чавун марок ПІ, П2,

ПЛІ і ПЛ2 виготовляють із вмістом сірки не більше 0,06%.

З сірого чавуну, який має добрі ливарні властивості, виготовляють виливки,

тому його називають ливарним. За ДСТУ 3132-95 залежно від вмісту силіцію

і призначення чавун виготовляють марок Л1...Л6 (ливарний) і ЛР1...ЛР7

(ливарний рафінований магнієм).

Ливарний чавун марок Л 1...Л6 виготовляють з вмістом сірки не більше

0,06%. За вимогою споживачів забезпечуються й інші показники якості

різних видів чавунів.

Спеціальні чавуни використовують у процесі виплавлення для розкислення і

легування сталі та сплавів. Вони мають підвищений вміст силіцію або

мангану. Виплавляють також хромонікелеві, ванадієві, ферохромові,

ферофосфорні та інші леговані чавуни.

Хімічний склад чавуну залежить від призначення деталі. Вуглець, який

входить до складу чавуну, може бути у вільному стані у вигляді частинок

графіту, вкраплених між зернами заліза, та в

хімічно зв'язаному стані у вигляді карбіду заліза

(цементиту).

Якщо чавун заливають у піщані форми, то його структура набирає вигляду

сірого чавуну, а під час швидкого охолодження (лиття в металеві форми),

якщо знижено вміст силіцію чи підвищено вміст мангану, утворюється

структура білого чавуну. Білий чавун спеціальною обробкою можна

перетворити на ковкий. Різновидом білого чавуну є відбілений чавун, який

утворюється під час швидкого охолодження виливка. Виливки з цього чавуну

(вальці прокатних станів, вагонні колеса) мають твердий поверх-

229

невий шар з м'якою основною масою, тобто структура білого чавуну

поступово переходить у сірий.

Чавуни, що містять спеціальні леговані домішки (нікель, молібден, хром) або

звичайні домішки (силіцій, манган), але в більшій кількості, ніж звичайно,

називають легованими. Легуючі складові вводять для одержання виливків із

спеціальними властивостями (підвищеною міцністю, ударною в'язкістю,

електроопором, кислотостійкістю).

За призначенням виливки поділяють на звичайні машинобу-дівельні з сірого

чавуну, підвищеної в'язкості з ковкого чавуну, поверхневої твердості з

відбіленого чавуну, поліпшеними властивостями з легованих та

модифікованих чавунів. Виливки, які виготовляють з чавуну, не повинні

мати дефектів (раковин, тріщин тощо).

Головна характеристика чавуну — рідкотекучість, усадка, схильність до

ліквації (неоднорідності), відбілювання, а також здатність піддаватися

термічній обробці, модифікації, обробці різанням, зварюванням, змінювати

структуру та утворювати тріщини чи не допускати їх появи, раковин тощо.

Рідкотекучість — здатність рідкого чавуну заповнювати ливарну форму.

Підвищення температури та вмісту фосфору поліпшує рідкотекучість чавуну,

а надмірна кількість сірки погіршує її.

Усадка — здатність чавуну зменшувати об'єм під час його твердіння. Об'ємна

усадка встановлюється за формулою

лінійна

100







100







Де

— об'єм моделі;

V— об'єм виливка;

— довжина моделі;

— довжина виливка.

Усадка супроводжується утворенням раковин і шпар. Щоб не допустити їх

утворення, застосовують ливарну систему.

Лікеація — неоднорідність хімічного складу виливка. Для усунення чи

зменшення ліквації необхідні спеціальні форми, шихтові матеріали та

режими виготовлення виливка.

Модифікований чавун (з дрібненькими окремими включеннями графіту на

основі перліту) одержують додаванням у ківш з

230

рідким чавуном спеціальних домішок-модифікаторів (феросиліцію,

силікокальцію тощо).

За ДСТУ 2891-94 чавуни бувають білі, сірі, половинчасті, від-білені, ковкі,

антифрикційні, леговані, модифіковані, зносостійкі, жаростійкі, жароміцні,

корозієстійкі тощо. Половинчастий чавун (структурно-половинчастий

пістрявий чавун), у якого після твердіння структура має дві складові: білу

(ледебуритно-карбідно-перлітну) та сіру (перлітно-феритно-графітну). Такий

чавун (відбілений) одержують залежно від швидкості охолодження. Ан-

тифрикційні — це чавуни з низьким коефіцієнтом тертя. Залежно від вмісту

легованих елементів чавуни бувають мікролеговані (не більше 0,1%),

низьколеговані (не більше 3%), середньолеговані (від 3 до 10%) та

високолеговані (понад 10%). Зносостійкий чавун здатний чинити опір

зношуванню за різних умов. Жаростійкий (окалино-стійкий) чавун протидіє

руйнуванню в процесі взаємодії з газами за температур до 1100 °С,

корозієстійкий, який не руйнується внаслідок хімічних чи електрохімічних

впливів у корозійних середовищах.

5.4. Виробництво сталі

5.4.1. Класифікація сталі та її технологія

Сталлю називають сплав заліза і вуглецю зі вмістом його менше 2,14%.

Основна маса сталі виготовляється переробкою чавуну. Сталь має більш

високі механічні та технологічні властивості у порівнянні з чавуном: її можна

обробляти тиском (вальцювати, кувати та інш.) вона має високу міцність та

значну пластичність, добре обробляється різанням (виключаючи деякі

марки). У розплавленому стані сталь має достатню рідинну текучість для

одержання виливок, проте ливарні властивості чавуну кращі. М'яка сталь з

вмістом вуглецю менш 0,25% має високу пластичність, легко обробляється

тиском у гарячому та холодному станах. Легована низьковуглецева сталь

широко застосовується у сучасному машинобудуванні та будівництві.

Переробка чавуну в сталь полягає в тому, щоб відокремити від чавуну

надлишок вуглецю, кремнію, марганцю та інших домішок. Особливо

важливо при цьому вилучити шкідливі домішки сірки та фосфору, які

надають сталі крихкість. Вуглець чавуну, з'єднуючись з киснем,

перетворюється в газ (оксид вуглецю СО), який випаровується. Інші домішки

переходять у оксиди та інші сполуки, які не-

231

розчинні або малорозчинні у металі.

Ці сполуки разом з флюсами створюють на поверхні металу шлак.

При окисленні марганець і кремній утворюють нерозчинні у металі оксиди

MnO

SiO

При окисленні фосфору утворюється його оксид

він розчиняється

у металі та шлаку. Щоб вилучити фосфор з металу, додають шлак з

надлишком вапна

CaO

яке й зв'язує

в з єднанні

)CaO(



нерозчинне у металі.

Безпосереднім окисником домішок у процесі виробництва сталі є розчинений

у металі оксид заліза

FeO

Сірку розчинену у чавуні у складі з'єднання

FeS

вилучають за допомогою

марганцю або вапна, які утворюють з нею або погано розчинне у металі

з єднання

MnS

або нерозчинне з'єднання CaS, яке переходить у шлак.

Кінцевою операцією процесу виплавлення сталі є її розкислення

(відновлення заліза із FeO). При виплавці легованої сталі розкислення

зазвичай сполучають з легуванням.

Початковим матеріалом для одержання сталі є переробний чавун, скрап

(стальний та чавунний брухт, стружка, обрізки, тощо), металізовані окатиші.

Як окисник використовується кисень, залізну руду, окалину; як флюс при

кислих процесах використовують кварцевий пісок, а при основних процесах

— вапно, плавіковий шпат, боксит. Як розкисники застосовують домнові

феросплави, що виплавлені в електропечах, та алюміній. Зараз

застосовуються в основному киснево-конверторний, мартенівський та

електротермічний засоби одержання сталі. Цими засобами сталь одержують у

рідкому стані.

Виробництво сталі у кисневих конверторах. При конверторних процесах

джерелом теплоти для виплавки сталі з розплавленого чавуну є хімічні

екзотермічні реакції окислення елементів що входять до складу чавуну. За

останні роки у виробництві сталі швидко розвиваються киснево-конверторні

способи при продувці киснем зверху і в при продувці через днище.

їх перевагами є висока продуктивність, яка забезпечується інтенсивністю

процесів окислення елементів, а також знижені витрати на будівництво у

порівнянні з мартенівськими цехами. У кисневих конверторах можуть

виплавлятися як вуглецеві, так і леговані сталі.

Кисневі конвертори поділяються на стаціонарні та обертові. Зараз

застосовують в основному стаціонарні конвертори з глухим дном ємністю від

100 до 400т. Ведуться роботи по застосуванню конверторів з донною

продувкою. Частка киснево-кон-

232

верторної сталі в спільній її виплавці безупинно росте і складає тепер більше

половини її світового виробництва.

Стаціонарний конвертор (рис. 5.4) має два бандажа 4, кожен з яких

опирається на два ролики 1. Горловина конвертора має симетричну форму.

Конвертори викладають смолодомітовою цеглою. Летка 3 призначена для

зливу готової сталі від шлаку і зменшенню відновлення фосфору із шлаку

при зливі.

В конвертор спочатку загружають скрап, далі заливають чавун, потім

засипають вапно, а також боксит, залізну руду і окалину (якщо потрібно),

після чого учиняється продувка, береться проба, аналіз, а потім злив металу

та шлаку.

Кисень під тиском (9... 10) МПа подається через водоохолод-жуючу фурму 2

і частина його проникає в метал, а кисень залишився, розтікається на

поверхні вани. Основну масу залитого у конвертер чавуну складає залізо

(приблизно 93%). Тому проник -ненний кисень у чавун переважно окислює

залізо:







FeO/Fe

З початку продувки в конверторі зразу утворюються дві незмішувальні між

собою рідини — метал (густина — 7800 кг/

та шлак (густина —

приблизно 2500 кг/

які знаходяться у без посередньому контакті і

взаємодії.

Частина оксиду заліза (II) залишається у металі, частина переходить у шлак,

при цьому як у металі, так і у шлаку оксид заліза (II) реагує з іншими

елементами та з'єднаннями, однак у шлаку і в металі розподілення оксиду

заліза (II) стале при даній темпера-

турі, це називається

константою

розподілення L FeO:

constFe/FeLFeO

шм



(5.2)

Звідси, при зменшенні кількості оксиду заліза у шлаку відповідно

зменшиться його вміст у металі.

Оксид заліза (II), який знаходиться у металі, вступає у взаємодію з

домішками в чавуні, з якими кисень має більшу

схожість, ніж з залізом:

HSiFeSiFeO







(5.3)

HMnOFeOMnFeO







(5.4)

Фосфор вигоряє за реакцією:







FePFeO

222

(5.5)

Вуглець вигоряє за реакцією:







COFeCFeO

(5.6)

Оксид вуглецю CO бульбашками виходить з рідкої вани, частково згоряє,

реагує з киснем, який розтікається по поверхні вани:

233





OCO

(5.7)

Нагрівання ванн сприяє розчиненню вапна, бокситу та оксидів заліза, в

результаті утворюється активний основний шлак з надлишком вільного

оксиду кальцію, який зв'язує фосфор у не-розчиненному в металі з'єднанні:







)CaO(CaO

(5.8)

У результаті реакції (5.8) кількість вільного оксиду фосфору у шлаку

зменшується у відповідності із залежністю (5.6) він переходить з металу в

шлак.

При переробці високофосфорного чавуну, для того, щоб запобігти зворотний

перехід фосфору з шлаку у метал, шлак збагачений фосфором, скочують і

знову засипають вапно. Фосфористий шлак використовується як добрива.

Гарячий високовапняко-вий шлак у конверторі дає можливість шлакувати

фосфор раніше, ніж вигоряє вуглець. Вапно забезпечує також шлакування

сірки за реакцією:







CaSFeOCaOFeS

(5.9)

Ця реакція проходить на межі розділу шлак-метал. Перегрітий і тому

активний основний шлак забезпечує вилучення значної частини сірки з

металу, в результаті чого її вміст у сталі може бути доведено до 0,015%.

З початку продувки киснем у конверторі енергійно окислюються кремній,

марганець та фосфор. Швидке окислення вуглецю розвивається пізніше під

час продувки у відповідності з нагріванням вани. При виплавці сталі з

підвищенним вмістом вуглецю продувку припиняють раніше, піднімають

конвертор у горизонтальне положення і беруть пробу. Якщо вміст вуглецю у

пробі виявився вищий потрібного, то роблять додувку плавки, при вмісті

вуглецю нижче встановленного плавку випускають у ківш і (одночасно з

розкисленням) спричиняють навуглерожу-вання сталі присадкою

феросплавів.

Розкислення вилитої у ківш сталі, необхідно, оскільки вона містить

підвищену кількість оксиду заліза (II), викликаючи у сталі красноламкість і

погіршення механічних властивостей. Розкислення спричиняється

феромарганцем, феросиліцієм, для чого ці феросплави вводят у струмок

(цівку) металу при зливанні його з конвертора. Відновлення заліза при цьому

визначаються реакціями (5.3) і (5.4). Як розкислювач застосовують також

алюміній, у цьому випадку залізо відновлюється за реакцією:







OAl

FeAlFeO

323

(5.10)

234

Тривалість продувки у 250-тонному кисневому конверторі (25...ЗО) хв. Разом

з іншими операціями (завалка скрапу, заливка чавуну, взяття проб, залив

сталі, залив шлаку) на одну плавку витрачається (45...50) хв. Продуктивність

одного 250-тонного конвертора — 1200 тис. тон сталі на рік, а 500-тонної

мартенівської печі — близько 400 тис.тон.

Збільшення продуктивності кисневих конверторів досягається не тільки

збільшенням ємності, але також інтенсивністю продувки при впровадженні

автоматичного управління і контролю плавки з використанням ЕОМ.

Перспективний киснево-конверторний процес з донним дуттям (продувкою

знизу), при якому різко зменшується димоутворення, збільшує вихід

придатного продукту, забезпечує можливість збільшення присадки скрапу у

порівнянні з конверторами з верхнім дуттям. Кисневі конвертори з донним

дуттям планують застосовувати і для заміни мартенівських печей.

В конверторах з кисневим дуттям виплавляють вуглецеві та леговані

конструкційні й інструментальні сталі, а також шари-копідшипникові, високо

марганцеві та ін., що не поступаються місцем мартенівським та

електросталям, причому якість деяких низьколегованих марок сталі вища

відповідних марок мартенівської та електросталі, наприклад, сталі для

холодної деформації (особливо для виробництва автолиста), для посуду

високого тиску і казанів, для роботи при низьких температурах, канатної

сталі та ін. По закінченні продувки сталь заливають у ківш і направляють для

рафінування (очищення від зайвих домішок) та легування. У зв'язку з цим

питома вага виробництва сталі в мартенівських печах значно скоротиться в

майбутньому.

Виробництво сталі в мартенівських печах. Мартенівське виробництво

виникло у 1864 році, коли П.Мартен пристосував регенеративну (яка

використовує тепло газів, які відходять) піч Сімен-са для виплавки литої

сталі з твердої шихти. Частка мартенівського виробництва ще дуже велика,

тому зусилля металургів спрямовані на інтенсифікацію мартенівських плавок

і покрашення якості металу. В мартенівських печах сталь виплавляють з

твердого або рідкого чавуну, стального або чавунного лому з домішками

залізної руди, окалини, флюсів і феросплавів; при цьому виходить побічний

продукт плавки — мартенівський пшак.

Мартенівська піч показана на рис. 5.5. її плавильний простір 4 обмежено

знизу падиною — 7, зверху — склепінням 3, з боків

235

— стінками. З обох боків плавильного простору знаходяться головки 1 і 5 з

каналами, що ведуть до шлаковиків — камер (на рис.5а) для затримання пилу

та бризків шлаку, захоплених з плавильного простору вхідними газами.

Шлаковики єднаються з регенераторами 8 і 6, які мають вогнетривку насадку

для підігріву-вання повітря і газового палива. На наших великих мета-

лургійних заводах мартенівські печі нагрівають спалюванням суміші

домнового та коксового газів, а також природного газу. Канали 2 служать для

підводу гарячого повітря і газового палива, яке спалюється довгим факелом

печі, і для відводу гарячих газів — продуктів згоряння. Клапани 10

періодично (через 10... 15) хв. змінюють напрямок руху газів (рис. 5.5) в

регенераторах, в головках і в самій печі, чим забезпечується їх постійне

підігрівання

до (1000... 1500) °С і нагрівання плавильного простору до 1700 °С . Якщо

нема підігрівання, то температура в печі не перевищить 1400 °С, тоді як

температура плавління м'якої сталі— 1500 °С. Таким чином, коли одна пара

регенераторів нагріває гази, друга запасає теплоту вихідних продуктів

згоряння.

В передній стінці в мартенівської печі знаходяться вікна 9, через які з робочої

площадки закидають шихту, беруть проби сталі і наглядають за плавкою.

Подина печі нахилена до задньої стінки, в якій знаходиться летка, що закрита

під час плавки пробкою з вогнетривкої маси; для випуску сталі пробку ззовні

пробивають.

Мартенівські печі на машинобудівних заводах працюють на мазуті, який

розпиляють форсунками при подачі системного повітря або пари під тиском

(0,5...0,8) МПа. У печей, що працюють на мазуті, є лише два регенератора (по

одному з кожного боку) для підігрівання повітря.

Процеси плавки в мартенівських печах поділяють на основні та кислі в

залежності від складу шихти. Плавка на шихті, в якій вміст фосфору та сірки

більший припустимого у готовій сталі, виробляється основним процесом, під

основним шлаком і в печах, викладених основними вогнетривами. Для

плавки сталі під кислим шлаком застосовують печі з кладкою із динасової

цегли. Тривалість служби мартенівської печі (кількість плавок) визначається

стійкістю зводу (печі з хромомагнезитовим зводом витримують 700 плавок і

більше). В мартенівських печах виплавляють вуглецеву конструкційну та

леговані сталі різноманітних марок.

Плавка в мартенівських печах. Мартенівський процес зводиться до фізико-

хімічної взаємодії між металом, шлаком, газо-

236

вим середовищем і зокрема вогнетривами печі при високих температурах.

Задачею процесу є зменшення вмісту в сталі вуглецю, марганцю та кремнію і

можливо більш повне вилучення з неї шкідливих домішок при найменшому

зношенні печі та витратах пального. Окислення металу перебігає при

взаємодії його з киснем, який надходить до печі з повітрям, а також рудою і

окалиною. Для прискорення окислення застосовують також вдування кисню

у розплавлений метал. Існує декілька різновидів мартенівського процесу:

скрап-рудний процес, скрап-процес, основний скрап-процес та кислий скрап

—процес.

Показники роботи мартенівського цеху. Основним техніко-економічним

показником є кількість сталі у тонах, знята на добу з 1 м подини печі, а також

витрати палива на 1 т виплавленої сталі.

Суттєво прискорює плавку застосування кисню. В мартенівському

виробництві кисень вдувають через особливі форсунки або горілки в головки

мартенівської печі для скорішого спалювання пального газу; кисень

вдувають і безпосередньо у рідкий метал для прискорення окислення

домішок. Середньодобове зняття сталі с їм площі подини складає 10 т, а на

передових заводах — 25 т та більше.

Рис. 5.4. Конвертор

237

Рис. 5.5. Мартенівська піч

Крім вуглецю в сталі присутні кремній, марганець, сірка та фосфор, що

здійснюють різний вплив на властивості сталі.

Вуглець є основним компонентом, і в залежності від його вмісту значно

змінюються механічні властивості сталі. Твердість НВ, межа міцності при

розтягненні та межа пружності безперерв-

238

но збільшуються із підвищення вмісту вуглецю до 1,2%; одночасно

зменшується відносне подовженнях. Ці зміни властивостей сталі пов'язані із

зміною кількості основних структурних склад-них-феррита та цементита.

Постійні домішки в сталі звичайно містяться в таких межах: кремнія (Si) до

— 0,05; марганцю (Мп) — до 0,7; фосфору — до 0,05.

Кремній та марганець мантан в указаних межах суттєвого впливу на

властивості сталі не здійснюють. З підвищенням їх вмісту (кремнію вище

0,8%, марганцю — 1,0%) спостерігається збільшення твердості та міцності

сталі. Однак така сталь вважається легованою. Марганець та кремній є

гарними розкислювачами сталі; крім того, марганець паралізує шкідливий

вплив сірки, утворюючи з нею з'єднання MnS, що частково переходить в

шлак.

Сірка є шкідливою домішкою, вона не розчиняється в залізі, як інші домішки,