Производство стали в кислородных конверторах: состав шихты, технология плавки

Производство стали в кислородных конверторах: состав шихты, технология плавки. Начертить схему конвертора. Технико-экономические показатели работы.

Производство стали в кислородных конвертерах. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2,1 %), кремния (до 0,4 %), марганца (до 0,8 %), примесей серы (до 0,04 %) и фосфора (до 0,04 %). Исходными материалами для получения стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сутью передела чугуна в сталь является уменьшение содержания углерода и других входящих в чугун элементов. В настоящее время сталь получают преимущественно в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Кислородно-конвертерным и мартеновским способами выплавляют около 80 % всей стали.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. Сталь, полученная этим способом, наиболее дешевая и не уступает по качеству мартеновской. Кислородный конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, внутренняя поверхность которого облицована алюмосиликатным кирпичом (рис. 1). Конвертеры изготовляют емкостью на 100—350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали составляет 50—60 м3. Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % объема металлоломом, затем заливают жидкий чугун, нагретый до температуры 1250—1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы: известь, плавиковый шпат и железную руду, которая ускоряет процесс окисления. При продувке конвертера техническим кислородом углерод и другие примеси окисляются в процессе дутья и благодаря присутствию в руде оксида железа FeO. При этом образуется химически активный шлак с необходимым содержанием окиси кальция СаО, благодаря чему происходит удаление серы. В момент, когда содержание углерода достигает количества, заданного для выплавляемой стали определенной марки, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем шлак.

Для уменьшения содержания кислорода в стали при выпуске из конвертера ее раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду — Mn, Si, Al. Взаимодействуя с кислородом и оксидом железа FeO, забирая у него кислород, они образуют нерастворимые оксиды MnО, SiO2, Al2O3, переходящие в шлак:

0,5О2 + Mn = MnO;       O2 + Si = SiO2;

1,5O2 + 2Al = Al2O3;       FeO + Mn = MnO + Fe;

2FeO + Si = SiO2 + 2Fe;   3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

По степени раскисления различают сталь кипящую (кп), спокойную (сп) и полуспокойную (пс). Кипящая сталь — наименее (слабо) раскисленная. В такой стали реакция образования окиси углерода C + O = СО не прекращается до ее полного отверждения: во время разливки металл продолжает «кипеть» из-за выделения пузырей СО. В слитке образуются газовые раковины, которые завариваются впоследствии при обработке стали давлением. Выход годного металла при производстве кипящей стали выше, чем при производстве других сталей, так как в этом случае не образуется усадочной раковины, а сама сталь обходится дешевле. Спокойная сталь получается при полном раскислении, когда выделение СО прекращается. Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая. В верхней части слитка образуются большая усадочная раковина и рыхлота, что уменьшает выход годного металла. Полуспокойная сталь получается при неполном раскислении.

Производительность кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400—500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электрических печей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой производительности, простоте устройства, отсутствию необходимости в топливе и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали

Рисунок 1 Кислородный конвертер: 1 - корпус; 2 - днище; 3 – опорные.

 

Углеродистые конструкционные качественные и высококачественные стали. Характеристики. Марки по стандарту. Примеры применения.

 

Конструкционная углеродистая сталь

Общее описание

Конструкционной углеродистой сталью называется сталь, содержащая углерода до 0,65-0,70% (в виде исключения производят конструкционные стали с содержанием 0,85% углерода). Конструкционная сталь идет для изготовления деталей машин и конструкций. Она должна обладать достаточной прочностью, хорошо сопротивляться удару и в то же время хорошо обрабатываться.

По качеству конструкционная сталь делится на три группы:

-обыкновенного качества;

-повышенного качества;

-качественная.

 

Сталь обыкновенного качества – сталь широкого потребления, идет для строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, труб, арматуры, мостов, профильного проката.

Сталь повышенного качества идет для паровозных и вагонных осей, бандажей, котлов, проволоки и т.д.

Качественная сталь идет для деталей, требующих более высокой пластичности, сопротивления удару, работающих при повышенных давлениях: для зубчатых колес, труб, винтов, болтов, для деталей, подлежащих цементации, для сварных изделий.

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества

На конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества установлен ГОСТ 380-88. В зависимости от назначения она делится на три группы:

А - поставляемую по механическим свойствам и применяемую в основном тогда, когда изделия из нее подвергают горячей обработке (сварка, ковка и др.), которая может изменить регламентируемые механические свойства (Ст0, Ст1 и др.);

Б - поставляемую по химическому составу и применяемую для деталей, подвергаемых такой обработке, при которой механические свойства меняются, а уровень их кроме условий обработки определяется химическим составом (БСт0, БСт1 и др.);

В - поставляемую по механическим свойствам и химическому составу для деталей, подвергаемых сварке (ВСт1, ВСт2 и др.).

 

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Стбпс, Стбсп.

Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы "кп", "пс", "сп" - степень раскисления ("кп" - кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная).

Качественная конструкционная углеродистая сталь

Качественная конструкционная углеродистая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам (ГОСТ 1050-88). В зависимости от химического состава она делится на 2 группы:

I - с нормальным содержанием  марганца ( Mn 0,80%);

II - с повышенным содержанием  марганца (Mn 1,2%). На повышенное содержание марганца указывает буква Г в названии сталей этой группы.

К конструкционным углеродистым сталям относится также автоматная сталь (сталь повышенной обрабатываемости) с повышенным содержанием серы и фосфора. Согласно ГОСТ 1414, установлены марки автоматной стали: А12, А20, А30, А35, А40Г и др. В маркировке буква А обозначает «автоматная сталь», а цифры, стоящие за ней – содержание углерода в сотых долях процента.

Недостатком автоматной стали является пониженные механические свойства, поэтому она идет для изготовления малоответственных деталей, главным образом крепежных (втулки, болты и др.).

 

Марки по стандарту, характеристики и область применения высокопрочного чугуна.

 

 

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками (0,1...0,5 °о магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,2...0,3 °о церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03 %.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Чтобы избежать образования в высокопрочных  чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность  такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической  основы (феррит, перлит) и включений  графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Ферритные чугуны имеют сто,2 = 220...310 МПа, 5 = 22...10 "/о, 140...225 НВ, перлитные —ао,2= 370...700 МПа, 5 = 7...2 % и 153...360 НВ. Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293—85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ста, МПа / 10: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 — ферритные чугуны; ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ 100—перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными  и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения  механических свойств (пластичности и  вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической  обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке.

Образование мелко игольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостойкость в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.  
 

 

Назначение и технология выполнения азотирования и цианирования стали. Привести примеры деталей и механизмов, подвергающихся азотированию.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхности слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и т.д. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем цементованной стали, и сохраняется при нагреве до высоких температур (500 - 600 ?С); тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 - 225 ?С

Технологический процесс предусматривает несколько операций, приведенных ниже:

. Предварительная термическая  обработка заготовки. Эта операция  состоит из закалки и высокого  отпуска стали для получения  повышенной прочности и вязкости  в сердцевине изделия.

Закалку стали 38Х2МЮА выполняют с нагревом до 930 - 950 ?С с охлаждением в воде или масле. Отпуск проводят при высокой температуре 600 - 675 ?С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска - сорбит.

. Механическая обработка  деталей, а также шлифование, которое  придает окончательные размеры  детали.

. Защита участков, не подлежащих  азотированию, нанесением тонкого  слоя (0,01 - 0,015 мм) олова электролитическим  методом или жидкого стекла. Олово  при температуре азотирования  расплавляется на поверхности  стали в виде тонкой не проницаемой  для азота пленки.

. Азотирование

. Окончательное шлифование  или доводка изделия.

Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации рекомендуется выполнять 500 - 520 ?С. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщины. Снижение твердости азотированного слоя связанно с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 - 0,6 мм. Процесс азотирования при 500 - 520 ?С в этом случае является продолжительным и составляет 24 - 60 ч.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия в следствие увеличение объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Для ускорения процесса азотирования нередко применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 - 520 ?С, а затем при 540 - 560 ?С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость азотированного слоя. Охлаждение после азотирования производят вместе с печкой в потоке аммиака (до 200 ?С) во избежание окисления поверхности.

 

Азотирование чаще ведут в шахтных печах с принудительной циркуляцией газа и максимальной рабочей температурой 600 или 700 ?С. Шахтные печи (США) выпускаются с двумя сменными муфелями или с одним стационарным.

Первый муфель после окончания процесса азотирования вынимается из печи и охлаждается на воздухе, в печь загружается второй муфель с деталями. При азотировании крупногабаритных изделий более экономичны печи с одним муфелем.

Значительное сокращение (в 2 - 3 раза) общего времени процесса достигается при азотировании в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разряженной азотосодержащей атмосфере (NH? или N?) при подключении обрабатываемых деталей к отрицательному электроду - катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии:

. Очистка поверхности  катодным распылением;

. Собственно насыщение.

Катодное распыление проводят в течении 5 - 60 мин при напряжении 1100 - 1400 В и давлении 0,1 - 0,2 мм рт. ст. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250 ?С. Температура азотирования 470 - 580 ?С, давление 1 - 10 мм рт. ст., рабочее напряжение 400 1100 В, продолжительность процесса составляет от 1 до 24ч.

В последние годы получило применение азотирование при 570 ?С в течении 1,5 - 3,0 ч в атмосфере, содержащей 50% эндогаза и 50% аммиака или 50% пропана (метана) и 50% аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой Fe? (N, C), обладающий меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая ?-фаза. Твердость карбонитридного слоя легированных сталях HV 600 - 1100. Такая обработка сильно повышает предел выносливости изделий.