>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>

Учебное пособие

Слесарное дело

§ 3. Основные сведения о получении стали

Сталью называют железоуглеродистый сплав, содержащий углерода до 2%, кремния до 0,35%, марганца 0,8,% фосфора до 0,07% и серы до 0,06%.

В сравнении с чугуном сталь обладает более высокой прочностью, вязкостью, ковкостью, хорошей обрабатываемостью, свариваемостью, способностью изменять свои свойства в широких пределах в зависимости от химического состава и вида термической обработки.

Благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств сталь получила исключительно широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. Ранее было сказано, что основным сырьем для производства стали является передельный чугун. Около 90% всего получаемого в доменных печах чугуна перерабатывается в сталь.

Сущность процесса переработки чугуна в сталь сводится к удалению из чугуна избытка углерода, серы, фосфора, кремния, марганца и других примесей.

Примеси при высокой температуре соединяются с кислородом быстрее, чем железо. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ. Кремний и марганец превращаются в окислы, которые вследствие меньшего удельного веса всплывают на поверхность и образуют шлак.

Состав, свойства и качество стали в значительной степени зависят от способа ее производства.

В настоящее время в промышленности Советского Союза основными способами получения стали являются конверторный (бессемеровский и томасовский), мартеновский и плавка в электропечах.

Конверторный (бессемеровский) способ. Способ заключается в том, что через расплавленный доменный чугун, заливаемый в конвертор, продувается воздух в течение 15—20 мин. Кислород, находящийся в воздухе, вступает в реакцию с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и другими примесями и окисляет их. В результате этого процесса получается сталь.

Конвертор (рис. 16) представляет собой вращающийся сосуд 2 грушевидной формы, кожух которого сварен из толстой листовой стали и футерован внутри кремнекислым огнеупорным материалом (динасовым кирпичом) 10. Снаружи кожух опоясан литым стальным поясом 11.

Рис. 16. Устройство бессемеровского конвертора

Конвертор имеет два цилиндрических выступа (цапфы) 1 и 3, служащие для опоры, и зубчатую передачу 9 для поворота конвертора. Одна из цапф сделана полой и соединяется с воздухопроводом 4. От цапфы к днищу 8 воздух подводится по трубе 6 в воздушную коробку 7. В отъемном днище конвертора имеются фурмы 5, через которые под давлением 3,0—3,5 aтм воздух подается в конвертор.

Перед началом процесса конвертор при помощи зубчатой передачи наклоняют в положение, показанное на рис. 17, а, и через горловину заливают жидкий чугун. После этого подают дутье, затем поворачивают конвертор в вертикальное положение (рис. 17, б). Продуваемый воздух проходит через весь чугун. Реакция горения кремния, марганца и железа происходит с большим выделением тепла, и температура сплава повышается с 1200—1300°С до 1700°. Для выпуска стали конвертор наклоняется в положение, показанное на рис. 17, в.

Рис. 17. Схема работы конвертора:
а — заливка чугуна, б — продувка, в — выпуск стали

Емкость современных конверторов — 25—65 Т жидкого чугуна.

Конверторный (томасовский) способ. Огнеупорные материалы, применяемые для футеровки, оказывают большое влияние на состав и свойства получаемой стали. При бессемеровском способе фосфор не может быть удален из чугуна, так как известь, необходимая для удаления фосфора, разрушает кремнекислый огнеупор. Поэтому при переработке на сталь доменных чугунов, содержащих значительное количество фосфора (до 2,2%), бессемеровский способ не пригоден, и в этом случае применяется томасовский способ. Особенностью конвертора (томасовского) является основная, доломитовая футеровка, а отличием самого процесса — загрузка в конвертор вместе с жидким чугуном определенного количества свежеобожженной извести.

Присутствие извести приводит к образованию шлаков и удалению из чугуна фосфора и серы.

Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что значит бессемеровская и томасовская сталь (по именам изобретателей Бессемера и Томаса).

Преимуществами конверторного способа получения стали - являются высокая производительность, компактность и простота устройства оборудования, а также выплавка с помощью воздушного дутья (без топлива), благодаря чему стоимость стали невысока.

Сталь, полученная конверторным способом, легко обрабатывается резанием и давлением, хорошо сваривается, обладает повышенным сопротивлением износу.

Для строительства конверторов требуется менее сложное оборудование и примерно на 30—40% меньше капитальных затрат, чем при строительстве мартеновских печей такой же производительности.

К серьезным недостаткам конверторного способа получения стали относятся значительный угар металла, необходимость применения только жидкого чугуна, сложность регулировки процесса из-за кратковременности его протекания, ограниченное количество переплавляемого металла, сильное загрязнение стали шлаковыми включениями, потери части металла в шлаке и выплесках, возможность передела чугунов только определенного химического состава.

Конверторная сталь не отличается высоким качеством вследствие окисления значительного количества железа при дутье и невозможности последующего полного восстановления железа из образовавшейся закиси железа. Присутствие же закиси железа делает сталь ломкой при прокатке и вызывает ряд других недостатков. К тому же конверторный способ не создает условий для получения стали определенного состава вследствие большой скорости процесса, а также значительного уменьшения в стали вредных элементов — фосфора и серы.

Поэтому конверторная сталь используется главным образом для производства изделий, к механическим свойствам которых не предъявляются высокие требования, например, для изготовления неответственных строительных изделий, листового железа, балок, труб, болтов, проволоки, гвоздей, шурупов, а также стяжек тяг, ключей и т. п.

Применение кислорода. В настоящее время при выплавке стали конверторным способом широко применяется обогащенное кислородом дутье или чистый кислород; в этом случае реакция окисления примесей происходит интенсивней, качество стали значительно улучшается, производительность работы повышается. Применение дутья с подачей большого количества кислорода позволяет перерабатывать малофосфористые чугуны, т. е. непригодные для томасовского процесса, получать сталь, не уступающую по качеству мартеновской.

Мартеновский процесс. Выше уже указывалось, что одним из недостатков конверторного способа является повышенное содержание в стали кислорода, ухудшающее ее механические свойства. Поэтому для изготовления многих ответственных изделий (инструментов, пружин, деталей, работающих на удар, и т. д.) конверторная сталь непригодна. Кроме этого, существовавшие ранее способы конверторного производства стали не решали задач переработки отходов (стальной лом, стружка, скрап и т. п.). В 1864 г. П. Мартеном было предложено производство стали в пламенной (мартеновской) регенеративной печи. В мартеновских печах окисление осуществляется воздухом, проходящим через шлак, который изолирует расплавленный металл от непосредственного воздействия кислорода воздуха, что уменьшает угар металла и способствует улучшению качества стали. Для выплавки стали в мартеновских печах применяется белый чугун, железная руда, лом, флюсы (известняк, обожженная известь, бокситы, плавиковый шпат).

В зависимости от состава шихты в мартеновских печах различают следующие разновидности процесса выплавки стали: скрап-процесс, чугунно-рудный и скрап-рудный процессы.

Скрап-процесс применяется на машиностроительных заводах, не имеющих доменных печей и располагающих большим количеством всевозможных отходов производства в виде стального лома (скрапа), пакетированной стружки, пришедших в негодность деталей машин как чугунных, так и стальных. В качестве добавки применяется чушковый чугун и известняк.

Скрап-рудный процесс применяется на заводах, оснащенных доменными печами, 60—70% шихты составляет жидкий чугун, остальная часть — стальной лом. Для окисления примесей чугуна применяют значительное количество руды.

Наиболее широко распространены скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

Мартеновский способ производства стали является самым распространенным.

Мартеновские печи. По конструкции мартеновские печи делятся на стационарные (неподвижные) и качающиеся. В качающихся печах рабочее пространство заключено в металлический кожух, рама которого опирается на катки, позволяющие наклонять печь на определенный угол при помощи электрического или гидравлического механизма.

Мартеновская печь (рис. 18). Мартеновская печь представляет собой сложное сооружение, оснащенное совершенными механизмами для загрузки шихты и уборки продуктов плавки. Она оборудована автоматическими приборами для регулирования процесса горения и температуры в печи. Мартеновская печь состоит из рабочего (плавильного) пространства 3, ограниченного сверху сводом 2, а снизу — подом 17. Передняя стенка имеет завалочные окна 1, через которые загружают шихтовые материалы. В задней стенке имеются отверстия для выпуска стали и шлака. В торцах печи расположены головки 4 и 5, 15 и 16, соединяющие плавильное пространство 3 с регенераторами 6 и 7, 13 и 14.

Рис. 18. Схема мартеновской печи:
1 — окно, 2 — свод, 3 — плавильное пространство, 4, 5, 15, 16 — головки, б, 7, 13,14 — регенераторы, 8, 12 — насадки, 9, 11 — клапаны, 10 — труба

Горючий газ и необходимый для его сжигания воздух перед поступлением в плавильное пространство предварительно проходят через нагретую до температуры около 1200° насадку 8 регенераторов 6 и 7. Подогретый в регенераторах газ и воздух выходят затем по вертикальным каналам в правые головки 4 и 5, смешиваются между собой в плавильном пространстве 3 и вступают в реакции горения. В результате горения газа температура под сводом 2 повышается до 1650—1760°. Газообразные продукты горения из плавильного пространства через левые головки 15 и 16 направляются в регенераторы 13 и 14, нагревают их огнеупорную насадку 12 и далее поступают в трубу 10. Когда огнеупорная насадка 8 в регенераторах 6 и 7 начнет остывать, направление движения газа и воздуха посредством клапанов 9 и 11 переключается на насадку 12 регенераторов 13 и 14. Таким образом обеспечивается непрерывное поступление в плавильное пространство печи подогретых горючего газа и воздуха.

Большинство мартеновских печей работает на природном газе или смеси доменного и коксовального газов.

Технико-экономические показатели работы мартеновской печи резко повышаются при использовании кислорода как для интенсификации сжигания топлива, так и для ускорения окисления примесей. Кислород в этом случае подают через головки мартеновской печи.

Производство стали в электропечах. Наиболее совершенным способом производства стали является выплавка ее в электроплавильных печах. Основные преимущества этих печей заключаются в следующем:

1. В плавильном пространстве температура достигает 2000° С, что способствует расплавлению металла с высокой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.) и хорошему удалению серы и фосфора, а также неметаллических включений. Сталь, полученная таким способом, по химическому составу лучше мартеновской.
2. Можно выплавлять любые сорта стали с содержанием заданного количества таких элементов, как хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан и др.
3. Обеспечивается точность и простота регулирования температур.
4. Значительно уменьшается угар металла и особенно легирующих элементов.

Выплавку стали производят в дуговых и индукционных (высокочастотных) электрических печах. Наибольшее распространение получили дуговые электрические печи.

Идея использования образующегося при горении электрической дуги тепла для плавки металла была обоснована русским ученым, академиком В. В. Петровым еще в 1802 г.

Дуговая электрическая печь, указанная на рис. 19, состоит из сварного стального цилиндрического корпуса 1, выложенного внутри огнеупорным кирпичом 2, съемного свода 3 с отверстиями, в которые пропущены соединенные проводниками с вторичной обмоткой трансформатора графитовые или угольные электроды 4. Графитовые электроды более устойчивы при высоких температурах и имеют меньшее электросопротивление, чем угольные, поэтому их применение в электроплавильных печах более целесообразно. Число электродов соответствует числу фаз электрического тока. Длина электродов достигает 2 м. Электроды укрепляются в электродержателях 5 и с помощью специального механизма могут перемещаться вверх и вниз и опускаться до верхнего уровня металла. Расстояние между электродами и металлом в печи должно быть определенным. При работе расстояние регулируется подъемом или опусканием электродов вручную или автоматически. Внизу электропечь ограничена подом.

Рис. 19. Дуговая электрическая печь

Нагрев и расплавление шихтовых материалов производится теплом, излучаемым тремя электрическими дугами, образуемыми между электродами и металлической шихтой при напряжении электрического тока 180—350 в.

Механизм наклона позволяет поворачивать печь для выпуска стали и шлака в сторону отверстия и сливного желоба на 10—15°.

Современные дуговые печи строятся емкостью от 0,5 до 180 Т. Наибольшее распространение имеют печи емкостью до 80 Т. Продолжительность плавки в печах 3—6 ч.

Электрические печи потребляют много электроэнергии, поэтому они используются, как правило, для получения только высококачественной стали.

В целях повышения производительности электрических печей и снижения стоимости стали предусмотрено производство электростали с помощью дуплекс-процесса, заключающегося в выплавке металла последовательно в двух плавильных агрегатах: основном конверторе и электропечи или в мартеновской печи и электропечи. Экономическая и технологическая целесообразность расплавления и предварительного удаления вредных примесей в первом агрегате и окончательная переработка металла во втором агрегате очевидны: повышается производительность, улучшается качество стали и уменьшается расход электроэнергии.

Индукционная печь высокой частоты состоит из огнеупорного тигля, окруженного тепловой изоляцией и находящегося внутри змеевика в виде медной трубки, по которой циркулирует вода для охлаждения. При прохождении по змеевику переменного тока высокой частоты в металле, находящемся в тигле, образуются вихревые токи большой силы, быстро нагревающие металл до плавления. Вихревые токи способствуют хорошей циркуляции металла и очищению его от примеси.

Недостатком этих печей является большая стоимость их, а также высокие требования, предъявляемые к стойкости и прочности тиглей, изготовление которых сложно. Высокочастотные печи применяют только для изготовления наиболее ценных и ответственных сортов сталей.