Применение конструкционной углеродистой стали качественной в сфере производства и потребления

В готовой стали остается кислород в виде оксида железа. Для его  восстановления в ковш вводят раскислители. Если сталь полностью раскислена и при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали в качестве раскислителей сначала вводят ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.

В тех случаях, когда из стали не удален кислород, при ее разливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимодействует с углеродом. Образующийся оксид углерода интенсивно выделяется из кристаллизирующегося слитка. Поверхность металла бурлит, поэтому такую сталь называют «кипящей».

При получении кипящей стали  в качестве раскислителя вводят только ферромарганец. Закончив раскисление, приступают к разливке по изложницам. Температура стали при разливке 1600 – 1650 градусов С.

Основные технико-экономические  показатели работы конвертера: продолжительность плавки в конвертере вместимостью 350 т составляет 50 минут, годовая производительность конвертера вместимостью 250 т – более 1,5 млн т, выход годного металла – 90-92%, удельный расход кислорода – 50-55 м³ на 1 т стали. Основным показателем является себестоимость выработки 1 т стали.

Действующие современные мартеновские печи – это крупные сталеплавильные агрегаты сложной конструкции с большим количеством различных дополнительных устройств. Строительство их связано с крупными капитальными затратами. Поэтому одновременный отказ от мартеновского способа производства стали и переход к кислородно-конвертерному и электросталеплавильному способам экономически нецелесообразен. Этим объясняется высокая доля мартеновской стали, выплавляемой до настоящего времени в нашей стране.

Мартеновский процесс выплавки стали ведут на поду пламенной  отражательной печи, снабженной регенераторами тепла отходящих газов для подогрева воздуха и топлива, подаваемых в печь. В зависимости от состава металлической печи различают две разновидности процесса:

1. Скрап-процесс, в котором основным компонентом шихты является стальной лом (скрап) с добавкой 25 – 40% чугуна, облегчающего рас плавление лома, являющегося источником углерода. Скрап-процесс используется в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в которых нет доменного производства.
2. Скрап-рудный процесс, в котором основным компонентом шихты является жидкий чугун с добавкой 45 –25% скрапа и железной руды для окисления примесей в чугуне. Этот процесс применяется на заводах, имеющих собственное доменное производство.

Процессы плавки в мартеновских печах делят на кислые и основные. Характерные особенности кислого процесса: печь футеруется кислым огнеупорным кирпичом, используется шихта с малым содержанием серы и фосфора, удаление которых в кислых печах затруднено. При основном процессе плавки футеровка печи выполняется из магнезитового или доломитового кирпича, для удаления серы и фосфора в шихту вводят известняк.

 Основной скрап-рудный процесс включает заправку пода и откосов, завалку и прогрев твердой шихты, заливку жидкого чугуна, плавление, кипение, раскисление, доводку и выпуск готовой стали.

Заправка пода и откосов заключается  в засыпке доломитовым или  магнезитовым порошком выбоин и ямок, разъеденных шлаком. Для лучшей приварки порошка к поду эту операцию проводят при повышенных температурах.

Завалка шихты производится завалочными  машинами. Сначала загружают часть лома, а на него – известняк и железную руду. После прогрева загружают остальной лом и нагревают до температуры плавления чугуна.

Заливка жидкого чугуна производится из ковша по специально установленному желобу.

В период загрузки и плавления шихты  происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, а после образования шлака – содержащегося в оксиде железа, растворенном в шлаке. Окисление примесей идет по тем же реакциям, что и при конвертерном процессе. Известняк переводит в шлак серу и фосфор.

Важным моментом плавки является период кипения – выделение образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл при этом перемешивается, выравниваются его температура и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения. По достижении требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем быстрого анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки – доводке и раскислению металла. В печь вводят рассчитанную долю ферромарганца и ферросилиция, в результате чего уменьшается содержание оксида железа в металле (металл раскисляется).

После раскисления берут контрольную  пробу металла и шлака, пробивают летку и по желобу выпускают сталь в ковши. Продолжительность плавки стали в мартеновской печи составляет 8 – 16 часов. Печь работает непрерывно. Длительность функционирования печи в основном зависит от стойкости ее свода.

Мартеновский процесс выплавки стали имеет ряд существенных особенностей. К ним относятся:

1. использование в качестве источника тепла реакций сгорания непосредственно в печи газообразного и жидкого топлива (природный газ, мазут, смесь коксового и доменного газов);
2. поступление тепла от горящего факела топлива к ванне сверху и отвод тепла снизу, вследствие чего температура шлака превышает температуру металла;
3. окислительный характер газовой фазы, состоящей во все периоды плавки из оксида углерода, кислорода, паров воды и азота;
4. макрогетерогенность системы «металл-шлак», в которой металл находится под слоем шлака. Вследствие этого все добавки, кислород и тепло поступают в металл через шлак. Поэтому изменение состава, консистенции и температуры шлака существенно влияют на состав и качество выплавляемой стали;
5. участие пода печи в протекающих в ней процессах шлакообразования вследствие длительности процесса плавки.

Основными показателями, характеризующими работу мартеновских печей являются: съем стали с 1 м² площади пода в сутки расход металлошихты на 1 т годных слитков, расход условного топлива на 1 т стали, выплавка стали на одного рабочего, себестоимость 1 т мартеновской стали.

В настоящее время часть крупных  мартеновских цехов реконструировано: на месте мартеновских печей установлены дуговые сталеплавильные агрегаты или обычные мартеновские печи были заменены на двухванные с использованием кислорода как интенсификатора плавки. Применение методов внепечной обработки стали в сочетании с системами автоматизации контроля и управления технологическим процессом плавки позволяет повышать качество металла и использовать мартеновские печи для производства высококачественных сталей.

Выплавка стали в электрических  печах основана на использовании для нагрева, расплавления и поддержания металла в расплавленном состоянии электрической энергии, трансформируемой в теплоту. В отличие от кислородно-конвертерного метода при электроплавке выделение тепла не связано с использованием окислителей. Поэтому, плавку в электрических печах можно вести в любой атмосфере – окислительной, восстановительной, нейтральной (инертный газ) и в широком диапазоне давлений – в вакууме, при атмосферном или повышенном давлениях.

К основным достоинствам электросталеплавильного метода относятся:

1. быстрый нагрев металла;

2. применение без окислительных шлаков;

3. точное и плавное регулирование температуры и состава металла;
4. высокая степень раскисления металла;
5. возможность получения сталей с низким содержанием серы и фосфора.

Однако, несмотря на эти достоинства  электроплавке, высокое потребление электроэнергии обусловило использование ее преимущественно для производства высококачественных (с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных примесей) сталей.

В настоящее время для выплавки стали применяют дуговые и индукционные электрические печи, которые являются наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами.

Наибольшее распространение в  металлургической промышленности получили дуговые электрические печи. Вместимость электродуговых печей колеблется от 2,5 до 200 тонн. В перспективе предусматривается строительство печей вместимостью 300-400 тонн. При плавки стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов. Чугун применяется для науглероживания металла, руду добавляют для окисления примесей.

Плавка в электропечи начинается с заправки пода и завалки шихты. На под печи сначала загружают  мелкий стальной скрап, затем более крупные куски шихты. Укладка шихты должна быть плотной. По окончании загрузки опускают электроны до легкого соприкосновения с кусками металла, затем включают ток 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, затем берется проба стали для быстрого определения содержания в ней углерода и марганца. Затем снова удаляется шлак. Первый период плавки заканчивается дефосфорацией металла до содержания фосфора 0,01-0,012% и окислением примесей, однако в стали остаются еще кислород и сера. Во втором периоде плавки производятся раскисление, десульфурация и рафинирование стали. С этой целью наводят новый шлак, добавляя известь, плавиковый шпат и молотый кокс. После этого сталь раскисляют ферромарганцем и ферросилицием. В присутствии восстановительного известкового шлака сера переходит в шлак. В конце второго периода плавки берется проба стали, металл доводится до заданного состава. Окончательное раскисление стали производят алюминием. Печь наклоняют и готовую сталь выпускают через отверстие по желобу в ковш. Продолжительность плавки – 2-4 часа в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали.

В общем объеме выплавки стали доля выплавляемой в электропечах непрерывно растет. Широкое применение этого способа сдерживается из-за большого расхода электроэнергии и высокой стоимости получаемой стали.

 

 

 

Блок-схема процесса производства конструкционной

углеродистой стали

 

 

 

 

1. Чугун транспортируется из доменного цеха в сталеплавильный цех для дальнейшей переработки
2. В миксере чугун хранится и выравнивает свой химический состав
3. Чугун из миксера поступает в сталеплавильную печь
4. Чугун превращается в сталь посредством уменьшения в нем углерода, кремния, и марганца и полном удалении таких примесей как сера и фосфор
5. Готовую сталь разливают в ковши
6. Жидкую сталь разливают по изложницам, в которых она затвердевает в форме слитка

 

 

 

 

 

5. НТД на углеродистую сталь обыкновенного качества, нормируемые показатели качества в соответствии с требованиями НТД

 

ГОСТ 1050-88 «Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали»

ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод  измерения твердости по Роквеллу»

 

Таблица 5.1. Массовая доля элементов в различных марках стали

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерода	кремния	марганца	хрома
05кп	0,06	0,03	0,4	0,1
08кп	0,05-0,12	0,03	0,25-0,5	0,1
08пс	0,05-0,11	0,05-0,17	0,35-0,65	0,1
08	0,05-0,12	0,17-0,37	0,35-0,65	0,1
10кп	0,07-0,14	0,07	0,25-0,5	0,15
10пс	0,07-0,14	0,05-0,17	0,35-0,65	0,15
10	0,07-0,14	0,17-0,37	0,35-0,65	0,15
11кп	0,05-0,12	0,06	0,3-0,5	0,15
15кп	0,12-0,19	0,07	0,25-0,5	0,25
15	0,12-0,19	0,17-0,37	0,35-0,65	0,25
18кп	0,12-0,20	0,06	0,3-0,5	0,15
20Кп	0,17-0,24	0,07	0,25-0,5	0,25
20ПС	0,17-0,24	0,05-0,17	0,35-0,65	0,25