Металлургия стали

Значительную часть стали получают из передельного чугуна. Сущность процесса заключается в уменьшении в чугуне содержания углерода и примесей (серы, фосфора, кремния и марганца) путем их окисления. Кроме чугуна в состав шихты могут входить металлический лом, желез­ная руда, флюсы. Сталь выплавляют в кислородных кон­верторах, мартеновских и электрических печах.

Выплавка стали в кислородных конвертерах

Сущность процесса заключается в том, что через рас­плавленный чугун и небольшое количество металлическо­го лома черных металлов, загруженных в конвертор, про­дувается кислород, образуется оксид железа FО, который, взаимодействуя с углеродом и примесями чугуна, окисляет и обращает их в газ и шлак. Реакции окисления идут с выделением тепла. Чугун при этом превращается в сталь. Конвертер с кислородным дутьем (рис. 2) состоит из стального корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом. Кон­вертер имеет поворотное устройство, с помощью которого может устанавливаться в наклонном положении. В таком положении его заливают жидким чугуном, затем устанав­ливают вертикально и через фурму производят продувку кислородом. По окончании процесса конвертер вновь на­клоняют и выпускают сталь и шлак.

Емкость современных конвертеров составляет 300— 350 т. Продолжительность плавки 30—40 минут. Темпера­тура, развиваемая в плавильном пространстве, достигает 1800 °С. Высокая производительность агрегата, простота конструкции и обслуживания, отсутствие потребности в топливе обеспечивают невысокую себестоимость конвертор­ной стали.

К недостаткам работы конверторов относятся невозмож­ность переработки значительного количества металличес­кого лома, значительный угар металла (5—10%), повышен­ное содержание вредных примесей в получаемой стали.

Конвертерная сталь относится к стали обыкновенного качества. Такая сталь идет для получения проката раз­личного профиля — листов, прутков, трубного проката, уголков и т. д. Кислородное конвертирование — перспек­тивный процесс, поскольку с его помощью в последние годы освоено получение качественной стали.

Выплавка стали в мартеновских печах

Процесс выплавки разработан французскими металлур­гами Э. и П. Мартенами. Он отличается более высокой по сравнению с конвертированием температурой, развиваемой в плавильном пространстве печи, — 1800—1900 °С, что позволяет перерабатывать чугун в твердом, жидком состоя­нии, стальные отходы металлургического и машинострои­тельного производства. В состав шихты могут входить же­лезная руда, флюсы, марганец. В качестве топлива в мар­теновском процессе используется природный газ.

Мартеновская печь (рис. 3) работает следующим образом.

Шихта через загрузочные окна 1 загружается в пла­вильное пространство 2, выложенное огнеупорным кирпи­чом. Природный газ и воздух, образующие факел для расплавления шихты, поступают по каналам сначала справа, а продукты горения отводятся слева через регенератор 3, отдавая свое тепло кирпичной кладке регенератора. Через каждые 10—15 минут направления потоков газов изменя­ются на обратные. Природный газ и воздух, проходя через регенератор, утилизируют тепло отходящих газов. Из ре­генератора после очистки продукты горения отводятся.

Готовая сталь выпускается через отверстие — летку, расположенную в задней стенке печи.

Различают два варианта мартеновского процесса: скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

При скрап-процессе шихта на 60—80% состоит из стального лома и на 20—40% — из чушкового чугуна. Та­кой процесс используется на металлургических заводах, где нет доменных печей. Скрап-процесс позволяет вводить в состав стали легирующие добавки (марганец, хром, вана­дий и др.), улучшающие качество стали.

При скрап-рудном процессе шихта состоит на 60—75% из жидкого чугуна, небольшого количества железной руды и металлического лома. Этот процесс используется на метал­лургических заводах, имеющих доменные печи. Скрап-руд­ный процесс — наиболее распространенный процесс плавки.

Емкость мартеновских печей достигает 900 т. Время плавки составляет 3—6 часов. Достоинством мартеновско­го способа является возможность широкого использования в составе шихты металлического лома и получения качест­венной стали. Основными недостатками мартеновского про­цесса следует считать значительную продолжительность плавки и большой расход топлива.

Выплавка стали в электрических печах

Электросталеплавильный процесс, появившийся в кон­це XIX в., благодаря поддержанию в плавильном простран­стве повышенной температуры (порядка 2000 °С и выше), обеспечивает получение стали более высокого качества по сравнению с конверторным и мартеновским процессами. Высокая температура дает возможность полнее удалять примеси, вводить в состав стали тугоплавкие легирующие металлы, значительно повышающие ее прочность, твер­дость и коррозийную стойкость.

Электрические плавильные печи разделяются на дуго­вые и индукционные.

Дуговая электрическая печь (рис. 4) состоит из сталь­ного кожуха, футерованного огнеупорным кирпичом. Сверху через отверстия в своде печи введены угольные электроды. Шихта загружается через загрузочное окно 1. Шихта плавится под воздействием высокой температуры, создаваемой электрической дугой, возникающей при про­хождении электрического тока между электродами 2 и шихтой 3. Готовую сталь выпускают по желобу летки 4 при наклоне печи, осуществляемом с помощью поворотно­го механизма 5.

Емкость дуговых печей колеблется от 0,5 до 400 т, дли­тельность плавки составляет 3-6 часов.

В индукционной печи (рис. 5) плавка осуществляется в тигле из огнеупорного материала 1. Вокруг тигля распо­лагается спиральный индуктор 2, изготовленный из мед­ной трубки, в которой циркулирует охлаждающая вода.

При прохождении тока через индуктор в шихте 4 на­водятся мощные вихревые токи, которые обеспечивают плавление шихты. Шихтовые материалы загружаются сверху. Для выпуска готовой стали тигель наклоняют в сторону сливного желоба 3.

В индукционных печах выплавляют особо высококачест­венные стали. Вместимость печей составляет от десятков килограммов до 2—5 т металла. Продолжительность одной плавки составляет от 0,5 до 2,5 часов.

Электрометаллургический процесс — основной способ производства высококачественных и особо высококачественных сталей. Вместе с тем, себестоимость электростали значительно выше конверторной и мартеновской стали. Недостатком электрических печей является относительно малая вместимость, сложность и высокая стоимость элект­рооборудования, низкая стойкость электродов и тиглей, не­обходимость использования чистых шихтовых материалов.

Разливка стали

Разливка стали имеет важное значение в, металлургии и позволяет придать полученной стали первичную форму — форму слитка.

Применяют два способа разливки: разливка в излож­ницы и непрерывная разливка стали (рис. 6).

Разливка в изложницы подразделяется на разливку сверху и сифонную разливку.

Разливка сверху используется для получения крупных слитков (десятки тонн). Преимуществом разливки являет­ся простое разливочное оборудование, а недостатками — малая производительность и повышенные потери материа­ла за счет усадочной раковины, образующейся в слитке при затвердевании стали.

Сифонный способ разливки (разливка снизу) позволяет получать небольшие слитки (тонны). Производительность процесса выше разливки сверху, поскольку заполняется одновременно несколько изложниц, потери материала мень­ше. Недостаток способа — сложное разливочное оборудо­вание.

Непрерывная разливка стали — наиболее производи­тельный и экономичный способ разливки. Из ковша 1 че­рез разливочное устройство расплавленная сталь поступа­ет в охлаждаемый водой кристаллизатор 2. В кристалли­заторе сталь затвердевает и в виде слитка 3 непрерывно вытягивается вращающимися роликами 4. Нужной длины слитки отрезаются ацетилено-кислородной горелкой 5.

Преимуществом непрерывной разливки является высо­кая производительность процесса, возможность получения необходимой формы сочетания слитки, что позволяет на­править их непосредственно на обработку резанием и про­катку. При непрерывной разливке до пяти раз сокраща­ются отходы материалы по сравнению с разливкой в из­ложницы.

Недостатком способа является сложность разливочно­го оборудования. Однако применение непрерывной разлив­ки стали в мире быстро увеличивается. Перспективной яв­ляется организация единого технологического процесса: не­прерывная разливка — прокатка стали.

Прогрессивные способы получения стали

Бездоменная металлургия. Прогрессивным способом является получение стали прямым восстановлением из руд, минуя доменный процесс. Железистый концентрат посту­пает по пульпопроводу прямо на завод, где вавтоматических шахтных печах при температуре 1000 ⁰С получают металлизированные окатыши. Окатыши в качестве ших­ты поступают в электропечи. Полученный материал после непрерывной разливки сразу идет на прокатку.

Способ весьма экономичен. Отпадают затраты на кок­сохимическое производство, качество полученной стали вы­сокое, поскольку в рудах Курской магнитной аномалии практически отсутствуют фосфор и сера. Производитель­ность бездоменного процесса заметно выше традиционных способов выплавки стали.

Электрошлаковый переплав (ЭШП). Данным способом получают особо высококачественные легированные стали. Для этого сталь обыкновенного качества подается в уста­новку ЭШП в виде прутков-электродов. Вследствие сопро­тивления электрода проходящему току выделяется боль­шое количество теплоты, отчего электрод плавится. Рас­плавленный металл электрода проходит через слой специального жидкого шлака и очищается от вредных при­месей и газов. Аналогичный способ — плазменно-дуговой переплав (ПДП). Источником тепла здесь служит плазмен­ная дуга с температурой до 10000 ⁰С. Используется также электронно-лучевой переплав (ЭЛП). Плавление происхо­дит под действием потока электронов, излучаемых высо­ковольтной кобальтовой пушкой с созданием в плавиль­ном пространстве глубокого вакуума.

Достоинствами перечисленных способов является воз­можность получения стали и сплавов очень высокой чис­тоты, применение которых облегчает массу конструкций, увеличивает надежность и долговечность машин и меха­низмов. Такая сталь необходима для атомной, реактивной и космической техники.

35. Технология получения алюминия

Производство алюминия

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, темпе­ратура его плавления 660 ⁰С, плотность 2,7 т/м³. Алюми­ний обладает высокой электро- и теплопроводностью, ус­тупая по этим свойствам серебру и меди, пластичностью и малой окисляемостью. Прочность и твердость алюминия невысокие.

Наибольшее применение алюминий получил в электро­технической промышленности для изготовления проводов и кабелей. Сплавы алюминия широко применяются в авиа­ции, машиностроении, пищевой промышленности.

Получают алюминий из руд с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Ос­новным сырьем для получения алюминия являются бокси­ты (50-60% глинозема).

Процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получение глинозема (Аl₂0₃) из руды и производство алю­миния из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получе­ния глинозема. Наиболее эффективным из них является щелочной способ. Выход глинозема из руды при этом спо­собе составляет около 87%.

Глинозем представляет собой прочное химическое со­единение, температура его плавления — 2050 ⁰С. В этих условиях восстановление алюминия из глинозема весьма затруднительно. Поэтому алюминий получают электроли­зом из глинозема, растворённого в расплавленном криоли­те (3NaFuAlF₃). Процесс проходит в электролизных ваннах (электролизерах). Ванна (рис. 8) представляет собой металлический корпус, футерованный углеродистыми бло­ками. В них вставляются медные катодные шины. Сверху в ванну опускается угольный электрод, представляющий собой анод.

В результате электролиза на дне ванны собирается жид­кий алюминий, который периодически откачивается с по­мощью вакуумного насоса.

Для увеличения степени чистоты алюминия его рафи­нируют. С этой целью алюминий в ковшах при темпера­туре 650-770 ⁰С подвергают продувке хлором в течении 10-15 минут. Из алюминия удаляются примеси глинозе­ма, криолита и газы. Готовый алюминий разливают в из­ложницы.

Алюминий высокой чистоты получают электролитичес­ким рафинированием. Анодом в этом случае служит под­лежащий очистке алюминий, катодом — пластины из чис­того алюминия. Расплавы хлористых и фтористых солей используются в качестве электролита.

36. Технология получения меди

Поиск по сайту: