Проектирование линии производства стального литья

Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и  загружаемые в доменную печь для  понижения температуры плавления  пустой породы, ошлакования золы кокса  и получения жидкоподвижного  шлака с высокой серопоглатительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды CaO и частично MgO. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой, в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6- 8 %.

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих  в работающей доменной печи.

 Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

 В химическом отношении  доменный процесс является восстановительно- окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

 Агрегатом для осуществления  доменного процесса служит печь  шахтного типа.

Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет  круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

 Важнейшим условием  осуществления доменного процесса  в рабочем пространстве печи  является непрерывное встречное  движение и взаимодействие опускающихся  шихтовых материалов, загружаемых  в печь через колошник, и восходящего  потока газов, образующегося в  горне при горении углерода  кокса в нагретом до 1000 – 1200( С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

 Кокс поступает в  горн нагретым до 1400 – 1500( С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000( С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450( С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.

 Шихтовые материалы  загружают в доменную печь  при помощи засыпного аппарата  отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

 В процессе нагревания  опускающихся материалов происходит  удаление из них влаги и  летучих веществ кокса и разложение  карбонатов. Оксиды железа под  действием восстановительных газов  постепенно переходят от высших  степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.

 Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается.

 При температуре 1000 – 1100 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре

1130 – 1150 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

 При взаимодействии  жидких продуктов плавки с  раскаленным коксом в заплечиках  и горне происходит усиленное  восстановление кремния, марганца  и фосфора из их оксидов,  растворенных в шлаке. Здесь  же поглощенная металлом в  ходе плавки сера переходит  в шлак. Железо и фосфор печи  полностью восстанавливаются и  переходят в чугун, а степень  восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества. Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

 Все перечисленные  процессы протекают в доменной  печи одновременно, оказывая взаимное  влияние.

Доменный процесс

 

Рис. 3

 

Получен серый чугун  СЧ-10- ферритный , он отправляется в чугуновозах в конвертерный цех.

Технологическая линия получения  стали в конвертере.

Конверторный способ основан  на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха  вступает в реакцию с примесями  чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного  способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный  в специальных металлоприемниках (миксерах).

 Существует еще мартеновский  способ, помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного) и подогретый воздух, обеспечивающий температуру 1800...2000°С возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали, к тому же мартеновский способ получения стали устарел. Поэтому выбор сделан в пользу конвертера и электропечи.

Конвертором принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость современных  конверторов достигает 250 – 400 т. Конвертор  имеет стальную цилиндрическую часть, отъемное, легко заменяемое днище  и конусообразную горловину. Цилиндрическая часть конвертора крепится в литом  стальном кольце, имеющем две цапфы, которыми оно опирается на подшипники двух стоек. Поэтому конвертор может  поворачиваться вокруг оси цапф, что  необходимо для его обслуживания (заливки исходного чугуна, взятия проб, выливки готовой стали и т.д.). Одна из цапф – полая, она соединяется одним воздухопроводом с трубовоздуходувкой, а другим – с воздушной коробкой днища конвертора. Воздушная коробка днища конвертора соединяется с отверстиями фурм, проходящими через все днище.

Конвертерный процесс

1 – корпус; 2 – опорный  пояс; 3 – днище; 4 – воздушная  коробка; 5 – кожух; 6 – сопла; 7 –  «спина»; 8 – горловина; 9 – пустотелая  цапфа; 10 – воздушный патрубок.

Рис. 4

 

Достоинствами конверторного  способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

Получен полупродукт, при переделе ванадиевого чугуна в кислородном конвертере монопроцессом с расходом металлолома до 30%. Металл продувают до содержания углерода менее 0,07 мас.%. Хим. состав такой стали не позволяет сразу отлить заготовку колеса, поэтому следующий процесс передела будет проходит в ДСП печи.

 

 

 

Технологическая линия легирования стали в ДСП.

Существенным отличием получения  стали в дуговых печах является возможность получения в плавильном пространстве восстановительной или  нейтральной атмосферы и различного давления.

Восстановительная атмосфера  в электродуговых печах позволяет  получить шлак, содержащий в конце  плавки не более 1% FeO, что примерно в 10 раз меньше, чем в обычном шлаке конвертерной печи.

Другим отличием является отсутствие в атмосфере печи кислорода. Поэтому ведение окислительных  процессов возможно только за счет внешнего кислорода, источниками которого могут быть железная руда и газообразный кислород, вдуваемый в ванну.

С точки зрения возможности использования влияния физико-химических факторов на конечные результаты электроплавка является более совершенной. Практически значительное количество дефектов в отливках и слитках из легированных сталей получается из-за плохого качества металла или вызываются и усугубляются четырьмя вредными примесями: кислородом, серой, водородом и фосфором. Электроплавка является наиболее гибким процессом для борьбы с тремя примесями: кислородом, серой и водородом.

При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при  работе на твердой завалке, так как  расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильный и отсутствуют короткие замыкания из-за обвалов шихты.

 

 

ДСП процесс

 

1 — электрод, 2 — стойка, 3 — электрошины, 4 — каретка, 5 — электрододержатели, 6 — холодильник, 7 — стальной трос, 8 — механизм передвижения электрода, 9 — стальной кожух печи, 10 — футеровка, 11 — выпускное отверстие, 12 — опора, 13 — сектор наклона печи, 14 — механизм наклона печи, 15 — свод, 16 — рабочая площадка, 17 — загрузочное окно, 18 — шпиндель механизма наклона печи, 19 — электродвигатель механизма наклона печи

Рис. 5

 

Получена сталь 20ХН3А,  для ее получения были добавлены ферросплавы:

ферросиликомарганец 18 (содерж. P<0,15)

-Ферросилиций ФС-65 (63-65)

-Никель Н-3

-Алюминий АВ-87

-Феррохром среднеуглеродистый

Отливка заготовки.

Существуют различные  способы литья, литье под давлением, литье под регулируемым давлением, литье в оболочковые формы, центробежное литье, литье по выплавляемым моделям, литье в землю (литье в песчано-глинистые формы).

Литье в землю является сравнительно простым и экономичным  технологическим процессом. Во многих отраслях машиностроения (автомобилестроение, станкостроение, вагоностроение и др.) при массовом производстве отливок  чаще всего применяется этот метод.

Литье по выплавляемым моделям- это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей.

Для технологической линии данного процесса наилучшим вариантом отливки будет литье в кокиль. Кокили используют для получения отливок сложной конфигурации из чугуна, стали и цветных сплавов.

Кокильное литье , это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль – металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали.

Данный метод широко применяется  при серийном и крупносерийном производстве.

Точность отливок обычно соответствует классам 5 -9 для отливок  из цветных металлов и классам 7-11 для отливок из черных металлов (ГОСТ 26645-85). Точность отливок, полученных в  кокиле. По массе примерно на один класс  выше по сравнению с песчаными формами

Литье в кокиль ограничено возможностью изготовления крупногабаритных кокилей и обычно масса отливок не превышает 250кг.

Кокиль обычно состоит из двух полуформ 1, плиты 2, вставок 10. Полуформы взаимно центрируются штырями 8, и перед заливкой их соединяют замками 9. Полости и отверстия в отливке могут быть выполнены металлическими 11 или песчаными 6 стержнями, извлекаемыми из отливки после ее затвердевания и охлаждения до заданной температуры Расплав заливают в кокиль через литниковую систему 7, выполненную в его стенках, а пита-ние массивных узлов отливки осуществляется из прибылей (питающих выпоров) 3.

Процесс литья в кокиль

1 – полуформы; 2 – плита (поддон); 3 – прибыль; 4 – вентиляционный канал; 5 – вентиляционная пробка; 6 – песчаный стержень; 7 – литниковая система; 8 – центрирующий элемент; 9 – замок; 10 – вставка; 11- металлический стержень; 12 – вентиляционный канал; 13 – полость формы.