Материальный баланс доменной плавки

Составление материального баланса плавки основывается на фундаментальном законе химии – законе сохранения вещества, открытом М.В. Ломоносовым, согласно которому масса всех веществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.

Для проектируемых печей при составлении баланса пользуются данными, полученными в расчетах шихты, колошникового газа и дутья. Баланс обычно сходится с небольшой неувязкой порядка 0,5–1,0 %. В качестве примера ниже представлен материальный баланс доменной плавки:

Задано, кг

Агломерата 130,0

Окатышей 615,0

Кокса 480,5

Дутья 1700,3

Природного газа 95,2

Итого 4021,0

Получено, кг

Чугуна 1000,0

Шлака 420,0

Газа сухого 2461,0

Влаги и пыли 73,0

Влаги восстановления 67,0

Итого 4021,0

7.4. Продукция доменного производства

Основным продуктом доменного производства является чугун – сплав железа с углеродом (2-4,5%) и другими элементами (марганцем, кремнием, фосфором, серой и др.). Все виды чугуна, выплавляемые в доменных печах, по назначению делятся на передельный, литейный и специальный чугун.

Около 85% всего выплавляемого чугуна приходится на передельный (белый) чугун, в котором содержится 3,2-4,5% С, 0,3-1,2% Si, 0,2-1% Mn, 0,15-0,2% P и 0,02-0,07% S. Такой чугун отличается повышенной твердостью, хрупкостью и поэтому используется для производства стали.

Литейный (серый) чугун характеризуется повышенным содержанием кремния (до 4%), обладает хорошими литейными свойствами и применяется для изготовления различных деталей. Разновидностью литейных чугунов является природно-легированные чугуны, получаемые из руд, содержащих ванадий, хром, никель и др. Такие чугуны являются хорошим конструкционным материалом.

Специальные чугуны – это сплавы с высоким содержанием одного или двух неосновных их компонентов. Так, ферросилиций содержит более 13% кремния, ферромарганец до 75% марганца. Эти доменные ферросплавы применяют для раскисления и легирования сталей.

В результате плавки, кроме чугуна, получаются некоторые побочные продукты: шлак, доменный газ и колошниковая пыль. Доменный шлак – это сплав пустой породы, флюсов и золы кокса, он используется как строительный материал. Из него изготавливают шлакобетонные блоки, шлаковату. Большая часть шлака гранулируется и служит сырьем для изготовления цемента. Доменный газ после очистки его от пыли используется в доменном цехе в воздухонагревателях и для работы воздуходувных машин. Колошниковая пыль улавливается и используется при производстве агломерата.

Маркировка чугунов.Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ23, СЧ24, СЧ32, СЧ36, СЧ40), показывающими среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ12 имеет qв≥12 кгс/мм2(120МПа), СЧ40- qв=40 кгс/мм2(400 МПа).

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют соответсвенно буквами ВЧ и КЧ и цифрами (например, ВЧ40-10, ВЧ45-5, ВЧ50-2,5, КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3), при этом первые две цифры указывают на средний qв, а следующие на относительно удлиненные.

Специальные чугуны имеют обозначения в маркировке, указывающие их значение. Например, антифрикционные (А) чугуны АСЧ-1, АСЧ-2, АКЧ-1, АВЧ-1 предназначены для работы в паре с термообработанным (нормализованным или закаленным) валом, АСЧ-3, АКЧ-2 и АВЧ-2 – в паре с сырым (в состоянии поставки) валом.

Жаростойкие чугуны маркируются буквами ЖЧ, цифрами показывающими в процентах среднее содержание основного (Cr, Si, Al) легирующего элемента (например, ЖЧХ-20, ЖЧХ-22).

Основные направления в совершенствовании доменного производства. Важнейшими технико-экономическими показателями работы доменных печей служат коэффициент использования полезного объема (КИПО) и удельный расход кокса. Первый показатель определяется отношением полезного объема печи (м3) к ее среднесуточной производительности (т). Чем выше производительность печи, тем ниже коэффициент использования полезного объема.

Этот показатель равен в среднем 0,5...0,7, а на некоторых печах доведен до 0,4. Второй показатель – удельный расход кокса – также характеризует экономичность доменного процесса.

Это объясняется тем, что стоимость кокса составляет более половины стоимости чугуна. Снижение обоих показателей дает большой экономический эффект.

Один из путей повышения экономичности производства чугуна – улучшение подготовки шихтовых материалов и интенсификация процесса плавки. Так, применение офлюсованного агломерата позволяет повысить производительность труда на 10...30%, уменьшить расход кокса примерно на 20%. Замена агломерата окатышами дополнительно увеличивает выплавку чугуна на 5...8% и несколько уменьшает расход кокса.

Интенсифицируют плавку повышением давления на колошнике (способствует более равномерному распределению давления газа по сечению печи, более полному восстановлению железа); обогащением дутья кислородом (повышает температуру горения, ускоряет процессы восстановления кремния, марганца); вдуванием в горн природного газа и угольной пыли (уменьшает расход кокса на 10...15%, ускоряет восстановительные процессы).

Большое значение имеет механизация и автоматизация таких процессов как регулирование температуры в рабочем пространстве печи, дозирование подачи шихтовых материалов, воздуха и др. В последние годы для управлений процессом плавки начали применять электронно-вычислительные машины.

7.5. Технология производства стали

Чугун и металлолом – основное сырье для производства стали. Передельный чугун, как правило, содержит 3,8...4,4% С, 0,2...2,0% Si, 0,6...3,5% Mn, 0,07...1,6% P, 0,03...0,08% S. Сталь получают окислением избытка C, Si, Mn, S и Р.

Сталь – это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода колеблется от 0,01 до 2%. Кроме углерода, она содержит марганец, кремний, серу и фосфор в незначительных количествах. Вследствие этого стали обладают высокой механической прочностью, сравнительно легко обрабатываются давлением, резанием, хорошо свариваются и являются основным конструкционным материалом в машиностроении.

Для выплавки стали используются следующие шихтовые материалы: чугун (жидкий или твердый), стальной и чугунный лом, железная руда, металлизированные окатыши, ферросплавы, флюсы. Основу шихты составляют чугун (55%) и металлолом (45%). В качестве флюсов используются: известняк, известь, боксит, плавильный шпат; окислителями служат железная руда, окалина, кислород, агломерат и др. Применяется газообразное топливо – доменный, коксовый, природный газ; жидкое – мазут, смола; твердое топливо – каменноугольная пыль.

Сталь получают в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна – углерода, кремния, марганца, фосфора, серы за счет кислорода, содержащегося в атмосфере, в оксидах железа и марганца или специально вводимого в расплавленную ванну.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную стали. Спокойная сталь – это сталь, полностью раскисленная, она застывает спокойно, без выделения газов. Кипящая сталь частично раскислена; при кристаллизации в слитках она бурлит («кипит») в результате выделения пузырьков СО. Полуспокойная сталь по степени раскисления занимает промежуточное место между кипящей и спокойной.

В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный.

Кислородно-конвертерный способ.Сущность его состоит в продувке жидкого чугуна в конвертере технически чистым кислородом. Конвертер (рис. 7.2) представляет собой стальной сосуд грушевидной формы вместимостью 100-350 т, выложенный внутри огнеупорным кирпичем. В верхней части корпуса расположена горловина для загрузки в конвертер металлического лома, заливки жидкого чугуна, подачи других материалов, опускания в конвертер кислородной фурмы, а также для выхода газов во время продувки. Сбоку находится летка для слива готового металла из конвертера в ковш. Поворот конвертера осуществляется электроприводом через систему редукторов. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 360 градусов.

Перед началом процесса конвертер поворачивают в наклонное положение, загружают металлолом и заливают жидкий чугун при температуре 1250-1400°С. Затем конвертер ставят в горизонтальное положение, загружают известняк, опускают водоохладительную фурму и подают кислород под давлением 1-1,4 МПа.

Под воздействием кислородного дутья примеси чугуна окисляются, при этом выделяется большое количество тепла. Это способствует расплавлению всех шихтовых материалов, поддержанию металлов в жидком состоянии, быстрому растворению извести и образованию активного шлака. В отличие от других сталеплавильных процессов в кислородном конвертере выплавка стали протекает без подвода тепла извне.

Когда содержание углерода достигает требуемого значения (это определяется путем экспресс-анализа пробы металла), продувку прекращают, фурму извлекают из конвертера. Продувка обычно продолжается 15-20 минут. Выплавленную сталь сливают в ковш, поворачивая конвертер вокруг горизонтальной оси.

Полученный металл содержит избыток кислорода, поэтому в ковш вводят раскислители и легирующие добавки. Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером. Общая продолжительность конвертерной плавки составляет 35-60 минут. Годовая производительность конвертера вместимостью 250 тонн составляет более 1,5 млн. т.

В кислородных конвертерах в основном выплавляют углеродистые, низколегированные и легированные стали, из которых изготовляют катанку, проволоку, лист, трубы, рельсы и широкий сортамент других изделий.

Мартеновский процесс. Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлолома в отражательной печи. В отличие от конвертерного процесса здесь недостаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Поэтому в печь (рис. 7.3) подводится дополнительное тепло, получаемое при сжигании в рабочем пространстве газообразного или жидкого топлива в струе
воздуха, нагретого до 1100-1200°С. Вместимость мартеновских печей
600-900 т.

Мартеновская печь оборудована системой переходных клапанов для изменения направления подачи в печь топлива и воздуха и отвода из печи продуктов сгорания.

Топливо и воздух поступают в рабочее пространство поочередно то с правой, то с левой стороны. В результате сгорания топлива в рабочем пространстве возникает факел. Такая работа печи обеспечивает высокие температуры в рабочем пространстве на протяжении всей плавки.

В период загрузки и плавления шихты происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, и по тем же реакциям, что и при конвертерном способе. Известняк переводит в шлак серу и фосфор.

Важным моментом плавки является период «кипения» – выделение образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл при этом перемешивается, выравнивается его температура и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения. При достижении требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем экспресс-анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки – доводке и раскислению металла. В печь вводят рассчитанную дозу ферромарганца и ферросилиция. После раскисления берут контрольную пробу металла и шлака, пробивают летку и по желобу выпускают сталь в ковш. Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8-16 часов, печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи зависит от стойкости ее свода. Для динасового свода она составляет 200-350 плавок, а для магнезита хромового – 300-1000 плавок.

Рис. 7.3. Схема
мартеновской печи

1 – регенератор;

2 – головка;

3 – рабочее
пространство;

4 – загрузочное окно

Электросталеплавильный процесс.Выплавка стали в электрических печах (рис. 7.4) имеет ряд преимуществ по сравнению с другими сталеплавильными процессами. Основные преимущества – это возможность создания высокой температуры в плавильном пространстве печи (более 2000°С) и выплавки стали и сплавов любого состава, использование известкового шлака, способствующего хорошему очищению металла от вредных примесей серы и фосфора.

Тепло в электропечах выделяется в результате преобразования электрической энергии в тепловую при возникновении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах. Электроплавку можно вести в любой среде – окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений – в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления.

Электросталь содержит минимальное количество вредных примесей фосфора и серы, неметаллических включений и по качеству превосходит кислородно-конвертерную и мартеновскую сталь. В электропечах выплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные, коррозионностойкие, жаропрочные и другие стали.

1 – сферическое днище; 2 – выпускное отвертстие; 3 – металлическая ванна; 4 – кожух; 5 – футеровка печи; 6 – свод печи; 7 – медные шины; 8 – электродержатели и электроды; 9 – загрузочное окно; 10 – устройство для наклона печи; 11 – под печи

Рис. 7.4. Схема дуговой электрической печи

Дуговая печь состоит из металлического корпуса цилиндрической формы со сферическим днищем. Изнутри корпус печи футерован высокоогнеупорными материалами. Свод печи делается съемным и имеет отверстие для электродов, которые крепятся в электродержателях и при помощи механизма могут перемещаться вниз и вверх. Печь имеет одно или два рабочих окна и выпускное отверстие и устанавливается на два опорных сегмента, с помощью которых она может наклоняться в сторону рабочего окна или выпускного отверстия.

Для загрузки шихты в печь свод поднимают и вместе с электродами отводят в сторону. Шихта в плавильное пространство опускается в специальном контейнере с открывающимся дном.

Электрический трехфазный ток в плавильное пространство подводится от понижающего трансформатора с помощью трех электродов. Дуговые печи снабжают индукторами для электромагнитного перемешивания жидкой ванны.

Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким материалом или шихтой при подаче на электроды необходимого напряжения.

Плавка в электропечи начинается с заправки пода и завалки шихты. По окончании загрузки опускают электроды до соприкосновения с металлом, включают напряжение и начинают плавку. В течение первого периода плавки происходит расплавление твердой шихты и окисление примесей: кремния, марганца, фосфора, углерода, частично железа. Образовавшийся первичный фосфористый шлак удаляют из печи и загружают известь и руду. Через некоторое время начинается «кипение» металла, это выгорает избыточный углерод, удаляются растворенные газы и неметаллические включения. Затем берется проба стали для экспресс-анализа содержания углерода и марганца, а также пробы шлака для определения по содержанию СаО и SiO2. Затем снова удаляется шлак.

Первый период плавки завершается снижением содержания в стали фосфора до 0,01-0,012% и окислением примесей, однако в стали еще остается кислород и сера.

Во втором периоде плавки производят раскисление, десульфурацию и рафинирование стали (окончательную доводку химического состава). С этой целью добавляют известь, плавиковый шпат и молотый кокс. После этого сталь раскисляют ферромарганцем и ферросилицием. Сера переходит в шлаки. Берут пробы стали и при необходимости вводят легирующие элементы. Про-должительность плавки 2-4 часа в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали. Вместимость дуговых печей – до 200 тонн.

Применяются также индук-ционные печи, представляющие собой тигель из огнеупорного материала, окруженный медной трубчатой спиралью (индуктором), через которую пропускается ток высокой частоты (рис. 7.5). Емкость печей – от десятков килограммов до 30 т. Тигли изготовляют как из кислых, так и из основных огнеупорных матери-алов. При пропускании тока через индуктор 1 в металле 2 (ших-
те) возникают вихревые токи, обеспечивающие нагрев и плавление металла. Под действием электромагнитных сил металл в тигле циркулирует, что ускоряет химические реакции и способствует получению однородного металла. Эти печи применяются для выплавки наиболее качественных высоколегированных сталей и сплавов особого назначения. Шихтовые материалы загружают сверху, используя отходы легированных или чистых по сере и фосфору углеродистых сталей, ферросплавов. В конце плавления загружают флюс. В кислых печах много кремния, который приводит к самораскислению стали, окончательно раскисляют сталь ферросплавами и алюминием. В основном процессе раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса,алюминия, ферросилиция и др.

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

Возможность получения в электропечах высококачественных сталей объясняется также отсутствием подачи воздуха для горения, что создает лучшую восстановительную среду, при которой сталь получается менее окисленной.

Разлив стали и получение слитка. Независимо от того, в каких печах и каким способом сварена сталь, из сталеплавильной печи ее выпускают в разливочный ковш, из которого затем разливают в изложницы. Изложница – чугунный сосуд с толстыми стенками. В ней жидкая сталь постепенно остывает, кристаллизуется и образует слиток. В зависимости от размеров и формы изложницы получается и соответствующий слиток: квадратного, прямоугольного, круглого или иного сечения и различного веса (чаще 6-8 т).

Получение слитка – сложный и ответственный процесс; от него в значительной мере зависит качество получаемой стали.

Выпущенную из печи сталь выдерживают некоторое время (10-15 мин) в ковше. За это время из стали выделяется часть растворенных в ней газов и на поверхность всплывают неметаллические включения (частички шлака и футеровки печей).

Наличие в жидком металле растворенных газов является причиной образования в слитке пустот, снижающих механические свойства стали. Для предотвращения образования таких пустот необходима дегазация жидкой стали до разливки ее в изложницы. Наиболее полная дегазация достигается обработкой стали в вакуумных камерах, в результате которой значительно повышаются плотность слитка и физико-механические свойства металла.

Заливку стали в изложницы производят как сверху, так и снизу, через литник (сифонная разливка). Этот способ применяют для получения малых слитков.

При неравномерном охлаждении стали в изложнице происходят неравномерная кристаллизация металла, снижающая его качество, и усадка (вследствие уменьшения объема при охлаждении), вызывающая образование усадочной раковины. Для предотвращения таких дефектов слитка принимаются меры, обеспечивающие его равномериое охлаждение и правильную кристаллизацию.

В последнее время широко применяется более прогрессивный способ разливки стали (рис. 7.6) на машинах непрерывной разливки. Здесь жидкий металл из сталеразливочного ковша подается в промежуточный ковш, предназначенный для снижения и стабилизации напора струи и для распределения ее по нескольким ручьям. Из промежуточного ковша жидкий металл непрерывно поступает в сквозную (бездонную) изложницу – медный кристаллизатор, стенки которого интенсивно охлаждаются водой, циркулирующей по внутренним каналам.

Попадая в кристаллизатор, металл затвердевает у стенок и на затравке. После заполнения кристаллизатора металлом затравку вытягивают с помощью валков тянущей клети, а за ней опускается и оболочка образовавшейся стальной заготовки. При этом уровень металла в кристаллизаторе поддерживается постоянным.

Из кристаллизатора вытягивается слиток с незатвердевающей сердцевиной; он поступает в зону вторичного охлаждения, где на его поверхность со всех сторон из форсунок подается распыленная вода. В результате интенсивного охлаждения при непрерывном движении заготовки происходит полная кристаллизация массы слитка. Затем слиток пропускают через валки тянущей клети, отделяют затравку и разрезают его на заготовки определенной длины.

Машины непрерывной разливки стали бывают трех типов: вертикальные, радиальные и криволинейные. Разливка на этих машинах имеет ряд преимуществ: отсутствие многочисленных изложниц и другого громоздкого оборудования, полная механизация и автоматизация процесса разливки, высокое качество получаемых заготовок, большой выход годного металла. Кроме того, такие слитки не нужно прокатывать на крупных обжимных станках (блюмингах и слябингах), значительно улучшаются условия труда.

Рис. 7.6. Принципиальная

технологическая схема установки

непрерывной разливки стали:

1 – ковш;

2 – промежуточное устройство;

3 – кристализатор;

4 – валки;

5 – зона резки

Мини-металлургические заводы.С середины 80-х гг. ХХ столетия в практику металлургического производства прочно вошло понятие “мини-металлургические заводы”, которые стали успешно конкурировать с заводами полного цикла.

В настоящее время примерно 30% всей стали производится именно на таких заводах. Современное содержание понятия “мини-завод” включает в себя минимальные затраты на производство, минимальные выбросы технологических отходов в окружающую среду, минимальные простои оборудования и агрегатов, минимальный производственный цикл при максимальной производительности, продажах, рентабельности и т.п. Обычно к этой категории относят заводы с объемом производства 0,1...1,6(2) млн. т стали в год. По разным оценкам, в мире в настоящее время насчитывается около 500-600 мини-заводов.

Мини-металлургический завод – это комплекс, состоящий из следующих агрегатов: электродуговая печь, установка доводки стали в ковше “печь-ковш”, высокопроизводительная машина непрерывной разливки стали и группа прокатных станов.

Основу успешного функционирования мини-металлургических заводов составляет высокая экономическая эффективность работы основных технологических агрегатов, входящих в их состав, а также высокая степень их функциональной совместимости в едином производственном цикле. По существу, связующим элементом между электродуговой печью и машиной непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является агрегат «печь-ковш», в котором осуществляется комплекс мероприятий по доводке стали по температуре и химическому составу, её рафинированию, а также выдержке по времени в соответствии с режимом разливки на МНЛЗ. Следует особо обратить внимание на тот факт, что именно агрегаты, позволяющие выполнять регламентируемый подогрев стали в ковше, обеспечивают на практике как расширение функциональных возможностей внепечной обработки и стабилизацию работы МНЛЗ при разливе длинными сериями с выходом годного выше 96...97%, так и значительный энерго- и ресурсосберегающий эффект.

Исключительно важной особенностью новых мини-заводов является стремление обеспечить максимально высокую удельную производительность плавильных агрегатов и МНЛЗ, производящих сортовую заготовку.

Маркировка сталей. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенного качества подразделяются на группы А, Б, В. Стали этих групп имеют гарантирование: А – механические свойства; Б – химический состав; В – оба этих параметра.

Маркируют сталь обыкновенного качества буквами Ст и цифрами от 0 до 7, означающими порядковый номер, с ростом которого растет прочность, но падает пластичность стали. Принадлежность стали к группам Б и В отмечается в маркировке этими же буквами. Примеры маркировки: Ст2кп, БСт6сп, ВСт3пс, БСт6Гпс. С ростом номера стали растет и содержание углерода, но цифра не соответствует его среднему содержанию (в Ст3 содержится 0,14...0,22% С, в Ст4 – 0,18...0,27% С, в Ст6– 0,38...0,49% С, в СтО – примерно 0,23% С).

Стали группы А используются в основном в состоянии поставки без последующих технологических операций (сварки, обработки давлением и т.д.). Термическая обработка не рекомендуется, так как стали имеют значительные колебания в химическом составе.

Стали групп Б и В имеют гарантированный химический состав и могут упрочняться термообработкой: закалка в воде, нормализация. Особенно эффективно проведение ТМО: 2-, 3-кратное повышение прочности сопровождается повышением пластичности в 1,5...2 раза. Эти стали используются при переработке полуфабриката в изделия с применением сварки или горячей деформации.

Свариваемость стали ухудшается с повышением содержания углерода, поэтому сварные конструкции изготавливаются из сталей марок Ст1, Ст2, СтЗ (не кипящих) групп Б и В. Стали группы В (повышенного качества) имеют специализированное назначение: судостроение, мостовые сооружения, моторостроение и т.д.

Из сталей Ст1,Ст2, СтЗ группы А изготавливают крепеж, баки и др. Эти же стали групп Б и В идут для изготовления цементируемых изделий (малонагруженных деталей машин, работающих на износ, измерительного инструмента), Ст4 используется в судостроении (обшивка корпусов и др.), Ст5, Ст6 идут на изготовление средненагруженных деталей (валов, пружин, рессор, крюков кранов, крепежа и т.д.).Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У (углеродистые) и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (например, У7–0,7% С, У 13–1,3% С). Они подразделяются на качественные (У8, У 12), содержащие менее 0,035% S и Р (каждого), и высококачественные (УЗА, У12А), содержащие менее 0,02%S и 0,02% Р.

Легированные стали маркируются так: первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за буквой, обозначающей определенный элемент (Н–Ni, К–Со, X–Сг, М-Мо, Г-Мп, С-Si, Ф-У, В-W, Ю-А1, А-М, Д-Си, Р–В, Т–Т1, Б–Nb, Ц–Zr, Ч–редкоземельные и др.),–его среднее количество в процентах. При содержании менее 1...1,5% элемента стали маркируются только буквой.

Легированные конструкционные стали выплавляют качественными (содержат не более 0,035% S и 0,035% Р) и высококачественными (≤0,025% S, ≤ 0,025% Р). Например, сталь 14Х2НЗМА: 0,14% С, 2% Сг, 3% М1, 1% Мо (буква А в конце марки означает “высококачественная”).

Маркировка конструкционных машиностроительных, инструментальных сталей и сплавов с особыми свойствами приведена в специальной литературе.

Прямое восстановление железа из руд. Большое внимание уделяется разработке процессов прямого восстановления железа из руд. Исключение из производства стали промежуточного процесса – получение чугуна – экономически выгодно. Но это трудная задача, и, хотя опробовано более 70 различных способов, лишь малое количество из них нашло промышленное применение.

Наибольшее распространение получило производство губчатого железа. Это пористый полупродукт (95% железа, 5% оксидов железа, 0,01...0,016% S и ~0,01% Р, примесей породы и др.), переплавляемый в сталеплавильных агрегатах на сталь. Существуют способы производства губчатого железа в шахтных печах, в кипящем слое, во вращающихся трубчатых печах. Исходный продукт – металлизованная шихта, чистая по сере и фосфору, содержащая 71...72% Fе. Восстановление шихты в небольших по высоте шахтных печах (ретортных) ведется в смеси газов СО+Н2, иногда СО+Н2+N2.

Химизм процесса:

Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O

Fe2O3+CO=2Fe+2CO2

Восстановители H2и CO получают конверсией на никелевом катализаторе природного газа метана по реакции:CH4+H2O-CO+3H2

Схема такого производства (рис. 7.7) реализована на Оскольском електрометаллургическом комбинате (недалеко от Харькова).

Рис. 7.7. Система технологий и материальных потоков
прямого восстановления железа

Как и в доменных печах, процесс основан на принципе противотока: железорудные материалы загружаются сверху, а восстано-вительные, нагретые примерно до 1200°С, газы поступают снизу. К восстановительному газу добавляют природный, обеспечивающий науглероживание окатышей. Хорошо отрегулированное стабильное опускание шихты и равномерное распределение газа по сечению печи обеспечивают в 2...5 раз большую производительность процесса по сравнению с доменной плавкой. В зоне восстановления температура составляет 850...900 °С.

Металлизация окатышей во вращающихся трубчатых печах осуществляется твердым восстановителем (вдувается угольная пыль).

Вращение расположенной под некоторым углом к горизонтали печи позволяет интенсифицировать процесс восстановления железа. Металлизированные окатыши перерабатывают в сталь в электропечах.

Преимущества “прямого восстановления” железа перед доменным:

- исключается дорогое и черезвычайно вредное производство кокса, почти отсутствуют характерные для коксового и доменного производства вредные выбросы серы, азота, канцерогенных органических соединений, пыли и шлака;

- отпадает надобность в энергоемких и вредных агломерационных и конвертерных цехах;

- транспортирование сырья осуществляется гидротранспортом и конвейерами, что значительно уменьшает загрязнение окружающей среды пылью по сравнению с традиционными видами транспорта с перегрузкой материалов.

Кроме указанных преимуществ, есть четвертое- перспективность усовершенствования процесса восстановления.

При улучшении энергетической ситуации в Украине экономически целесообразно получение восстановителя (Н2) электролизом из воды. В процессе восстановления водород, отбирая кислород у оксида, связывается в воду, которая снова вводится в цикл (на электролиз). То есть формируется действительно экологически чистое, практически безотходное производство (рис. 7.7).

Важным фактором такого процесса является уменьшение расхода воды и загрязнения рек и водохранилищ. Этот пример является ориентиром технико-экологического прогресса устаревших (по научной идее) технологий.

7.6. ПРОКАТНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Продукция прокатного производства. Прокатные станы. Сталеплавильные цехи металлургических заводов выпускают продукцию в виде стальных слитков, которые для дальнейшей переработки поступают в прокатные цехи. Здесь из слитков стали вырабатывают листы, сортовые и фасонные профили, трубы и т.д. Среди разнообразных видов прокатного производства имеются готовые изделия, например рельсы, балки, трубы и др., и заготовки, требующие дальнейшей обработки ковкой, штамповкой, волочением или резанием (рис. 7.8).

Совокупность профилей с различными формой и размерами сечений называется сортаментом проката.

Сортамент стального проката делится на пять групп: сортовой прокат, листовой прокат, трубы, периодический прокат и специальный прокат (в том числе гнутые профили).

Сортовой прокат разделяется на простой и фасонный (сложного профиля). К простому прокату относят профили с простой геометрической формой сечения – круг, квадрат, шестигранник, овал и т.д. (рис. 7.8, а)

К сортовому прокату фасонного профиля относятся угловая сталь, швеллер, двутавр, тавр, рельс, зетовая, колонная и ромбовидная сталь (рис.7.8,б)

К специальным видам проката относят продукцию законченной формы, изготовленную по заказам отдельных министерств (рис.7.8,в). Такой продукцией могут быть накладки (24) и подкладки (25) для рельсов, обод автомобильного колеса (29), бортовое кольцо (34), башмак гусеницы трактора (31) и т.д.

Прокат периодического профиля (рис. 7.8,г) представляет собой полосу или пруток, поперечное сечение которых изменяется по длине проката, воспроизводя форму будущей детали. Этот вид проката может с успехом применяться в качестве фасонных заготовок в кузнечном производстве и заготовок под окончательную механическую обработку. При этом значительно снижается объем работ и отходы металла в стружку.

Листовой прокат разделяют на толстолистовой, тонколистовой и фольгу. К толстолистовому прокату относится броневая, котельная, резервуарная сталь, к тонколистовому – кровельная, трансформаторная, электротехническая сталь, жесть и др. Стальные трубы разделяются на две группы: бесшовные (цельнотянутые) и сварные.

В последнее время большое развитие получило производство гнутых профилей из холодно- и горячекатаных полос и лент. Гнутые профили сложной конфигурации применяются в автотракторной, авиационной промышленности и в строительстве. Они изготовляются на специальных роликогибочных машинах и поставляются в виде отдельных заготовок или бухт ленты определенного профиля. Сортамент гнутых профилей превышает 400 разновидностей.

Для придания металлу соответствующей формы его в нагретом или холодном виде прокатывают, т. е. пропускают между вращающимися валками прокатных станов. Рабочие валки прокатных станов имеют либо ровную поверхность, если они прокатывают, например, лист, либо поверхность с более или менее сложным профилем для получения соответствующего проката. При прокате слитка или другой заготовки происходит изменение их формы; при этом уменьшается поперечное сечение и увеличивается длина. Для облегчения процесса прокатки крупные слитки или заготовки предварительно нагревают до температуры, при которой обычно производят ковку металла.

Прокатные цехи металлургических заводов оборудованы прокатными станами различных размеров, типов и назначения. Различают двух-, трех- и многовалковые станы (рис. 7.9). Валки располагают горизонтально или вертикально.

Рис. 7.9. Схема расположения валков в прокатных станах

а – в двухвалковом;

б – в трехвалковом;

в – в четырехвалковом

Крупнейшими из прокатных станов являются блюминг и слябинг. На блюмингах производят первую прокатку стальных слитков весом до 20 т и превращают их в заготовки (блюмы) сечением от 200х200 до 400х400 мм. Слябинги служат для прокатки из таких же крупных слитков стали листовых заготовок (слябей) толщиной до 225 мм и длиной до 5 м. Слябинги устанавливают главным образом в листопрокатных цехах металлургических заводов. Производительность крупнейших прокатных станов очень высока. Мощность блюмингов достигает 5000 кВт и более; диаметр их рабочих валков 800-1400 мм.

Рис. 7.10. Схема волочения: 1 – заготовка; 2 – волочильная доска

На заготовочных станах блюмы прокатывают в сортовую заготовку сечением от 40х40 мм и выше. Готовый прокат получают, прокатывая сортовую заготовку на рельсобалочных и сортовых станах. Скорость прокатки на таких станах достигает 35 м в секунду, а их производительность – 200 т в час и более.

Волочение. Прокатные цехи оборудуют также волочильными станами, на которых заготовку протягивают обычно в холодном состоянии через отверстие (фильеру) с сечением, меньшим сечения заготовки (рис. 7.10). Методом волочения производят тонкую проволоку (от четырех до сотых долей миллиметра), калиброванные прутки, тонкие трубки и т. п. (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Схема волочения труб

а – без уменьшения толщины стенки;

б – с уменьшением толщины стенки

Волочение обеспечивает высокую точность размеров и чистоту поверхности получаемых изделий, что имеет особое значение при малых их сечениях. В результате волочения металл уплотняется и приобретает лучшие свойства.

Трубопрокатное производство. Трубопрокатное производство част