Заготовка по условию задания выполнена из качественной конструкционной стали 40ХС по ГОСТ 4543–71. Основные характеристики стали:

Сталь выплавляют из чугуна. Основой производства чугуна служит металлургическое производство.

Металлургическое производство — это сложная система различных производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты и карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха (для дутья доменных печей), кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизованных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки стали перерабатывают в сортовой прокат — балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т. д.

Основная продукция черной металлургии:

· чугуны — передельный, используемый для передела на сталь, и литейный — для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах;

· железорудные металлизованные окатыши для выплавки стали;

· ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Мn, Si, V, Ti и т. д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, полосы, проволоки), а также листа, труб и т. д.;

· стальные слитки для изготовления крупных кованых валов, роторов турбин, дисков и т. д., называемые кузнечными слитками.

Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы.

Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет: железа на менее 30—60 %, меди 3—5 %, молибдена 0,005—0,02 %. Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав. Например, железные, медные, медно-никелевые и т. д.

В зависимости от содержания добываемого металла, руды бывают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-экономические показатели работы металлургических печей. Флюсы — это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO₂, Р₂О₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO и др.).

Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

Кокс получают на коксохимических заводах в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. В коксе содержится 80 — 88 % углерода, 8—12 % золы, 2—5 % влаги, 0,5—1,8 % серы, 0,02— 0,2 % фосфора и до 1—2 % летучих продуктов. Для доменной плавки кокс должен содержать минимальное количество серы и золы. Куски кокса должны иметь размеры 25—60 мм. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы не разрушаться под действием шихтовых материалов.

Природный газ содержит 90—98 % углеводородов (СН₄ и С₃Н₆) и 1 % азота. Мазут содержит 84—88 % углерода, 10—12 % водорода, небольшое количество серы и кислорода. Кроме того, используют доменный или колошниковый газ, побочный продукт доменного процесса.

Огнеупорные материалы применяют для изготовления внутреннего облицовочного слоя (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. Огнеупорные материалы способны выдержать нагрузки при высоких температурах, противостоять резким изменениям температур, химическому воздействию шлака и печных газов. Огнеупорность материала определяется температурой его размягчения. По химическим свойствам огнеупорные материалы разделяют на кислые, основные, нейтральные.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА

Сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2% углерода, называют чугунами. Их получают путем восстановления железа из оксидов, содержащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в доменных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей переработки различают чугуны предельные (примерно 80% от всего выпуска), предназначенные для переработки в сталь, и литейные, поступающие на машиностроительные заводы и используемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок.

ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА И ИХ ПОДГОТОВКА К ПЛАВКЕ

Исходными материалами для доменного производства является руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Железная руда состоит из железосодержащих минералов и пустой породы, в состав которой входят оксиды кремния (кремнезем) SiО₂, алюминия (глинозем) А1₂О₃, кальция СаО и магния MgO. Качество руды определяется многими критериями, но, прежде всего, содержанием в ней железа, легкостью восстановления железа из оксидов, составом пустой породы и концентрацией вредных примесей, таких, как фосфор, мышьяк и др.

Для производства чугуна используют следующие руды. Магнитный железняк (магнетит) представляет собой смесь двух оксидов железа – FeO и Fе₂0₃, содержит до 70% железа. Его название связано с наличием магнитного оксида FeO. Руда имеет темный цвет, прочная и плотная, а после измельчения легко обогащается методом магнитной сепарации.

Красный железняк (гематит) содержит до 60% железа в виде оксида Fе₂0₃. Он менее плотен, чем магнетит, легко измельчается и восстанавливается.

Бурый железняк (гетит) представляет собой водный оксид железа Fе₂0_З. Н₂0 и содержит еще меньше железа (до 50%). Это относительно рыхлая, легко восстанавливаемая порода. Шпатовый железняк (сидерит) содержит до 40% Fe в виде карбоната FеСО₃

Флюсы – это специально вводимые в доменную печь материалы, снижающие температуру плавления пустой породы и ошлаковывающие золу кокса. Различают основные и кислые флюсы. К первым относится известняк СаСО₃ и доломит СаСО₃. МgСО₃, дающие при разложении оксиды щелочной группы СаО и MgO. Ко вторым относится кремнезем SiО₂ – кислотный оксид. Выбор зависит от состава пустой породы. Если пустая порода имеет песчано-глинистый характер (смесь SiО₂ и А1₂О₃), то в качестве флюсов применяют известняк или доломит, а если в ней превалируют известковые породы, то флюсом служит песок, что в практике встречается довольно редко.

Основным видом топлива в доменном производстве служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь, которые подают вместе с воздухом, необходимым для горения топлива. Кокс получают путем нагрева до 1000 – 1200 ⁰С без доступа воздуха в коксовых батареях особых сортов коксующихся углей. Перед коксованием уголь измельчается в дробилках до частиц размером 2 – 3 мм и обогащается. В процессе выдержки при высоких температурах в течение 15 – 20 часов происходит удаление летучих веществ и спекание угля в пористую массу, которую выгружают из батарей на транспортеры и гасят водой или инертным газом. Для доменного процесса используются куски кокса размером 25 – 200 мм и пористостью около 50%. С ростом пористости растет поверхность контакта топлива с кислородом, в результате чего активизируются процессы горения и повышается температура в рабочем пространстве печи. Кокс должен содержать не менее 80% углерода и возможно меньшее количество серы (2%), золы (12%), влаги (5%) и летучих веществ (1 – 2%).

Огнеупоры служат для сооружения рабочего пространства доменных и других плавильных печей. Они должны обладать термостойкостью, механической прочностью и химической стойкостью по отношению к шлакам. По химическому составу огнеупоры разделяют на кислые, состоящие из кварцитов (динас), основные (доломит, магнезит) и нейтральные (углеродосодержащие). Они поставляются в виде кирпичей, фасонных блоков и крошки. Состав применяемого огнеупора оказывает определяющее влияние на тип флюса, вводимого при плавке. Так, например, при применении кислого огнеупора применять в качестве флюса известняк следует крайне осторожно, так как избыток щелочного оксида в шлаке приведет к быстрому разрушению кислотного оксида огнеупорной кладки.

Наибольшее распространение нашли так называемые шамотные огнеупорные материалы, обладающие слабокислыми свойствами и состоящие из смеси кремнезема и глинозема.

ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

Прошедшие предварительную подготовку руды подаются вместе с коксом, расход которого составляет около 50% от массы выплавляемого чугуна, в доменную печь. Доменные печи относятся к разряду шахтных печей и работают по принципу противотока. Шихта (руда, кокс и, если необходимо, известь) подается сверху и по мере плавления руды и выгорания кокса опускается вниз, а воздух, наоборот, вдувается в нижнюю часть печи и перемещается вверх, навстречу шихте. Полезный объем печей обычно не превышает 2000 м³, высота примерно – 30 м, и выплавляется в них в сутки до 2000 т. чугуна. Отдельные печи имеют объем свыше 5000 м^З. Схема доменной печи и воздухонагревателя показаны на рисунок 2.1.

Шихта 1 подается в загрузочное устройство 2, оборудованное двумя приемными камерами и запирающими конусами. Попеременное открывание конусов исключает прорыв доменных газов в атмосферу. Под загрузочным устройством располагается колошник 3, из которого печные газы по трубам удаляются из печи. Шахта печи 4 футеруется (выкладывается) огнеупорным шамотным кирпичом. Толщина кладки превышает 1 м. Ниже шахты находятся распар 6, заплечики 7 и горн 8. В верхней части горна, заполненного коксом, находятся 16 – 20 водоохлаждаемых медных фурм 12, по которым из фурменного пояса 13 в доменную печь подается под давлением 300 кПа нагретый до 900 – 1200 ^ОС воздух, зачастую обогащенный кислородом. В нижней части горна находятся шлаковая 9 и чугунная 11 летки, через которые выпускается с интервалом 2 – 3 ч жидкий шлак и чугун, скапливающиеся на лещади 10.

Каждая доменная печь работает в паре с тремя воздухонагревателями (рис.2.1, 6). Очищенные печные газы, содержащие около 30% оксида углерода, смешиваются с воздухом и, сгорая в камере 14, футерованной огнеупорным кирпичом 15, при температуре около 1300 ^ОС проходят через насадку 16, выложенную из кирпича, отдавая ей свою физическую теплоту, после чего через боров 17 удаляются в атмосферу.

Пока два из трех нагревателей: работают в режиме разогрева насадки, в третьем осуществляется нагрев воздуха, подаваемого в доменную печь. Направление перемещения воздуха в это время обратное указанному стрелками на рисунке 2.1.б. После снижения температуры нагрева воздуха ниже установленного предела (обычно 900 ^ОС) происходит автоматическое переключение работы воздухонагревателя с режима охлаждения насадки в режим ее нагрева.

Продуктами доменного производства являются предельные чугуны, содержащие 3,5 – 4,5 % С и 0.5 – 1,3% Si, литейные чугуны, отличающиеся более высоким содержанием кремния (0,8-3,6%), ферромарганец (75-85% Мn) и ферросилиций (19-92% Si). Кроме того, ценными побочными продуктами являются доменные шлаки и газ.

Одним из главных показателей работы доменных печей принято считать коэффициент использования полезного объема. Он получается делением полезного объема (м³) на суточный выпуск чугуна (тонны) и для передовых предприятий составляет 0,5 – 0,6.

Рисунок 2.1 - Конструкция доменной печи: а – доменная печь; б – воздухонагреватель

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь - это сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14%. Кроме того, в ней содержатся постоянные примеси (марганец, кремний, сера, фосфор) и в ряде случаев легирующие элементы (никель, хром, ванадий, молибден, вольфрам и др.). Сырьем для производства стали является передельный чугун, выплавляемый в доменных печах, лом и ферросплавы (см. рисунок 2.1.). Если сравнить содержание основных примесей в чугуне и стали, можно сделать вывод, что сталь отличается от чугуна только количеством этих примесей. В чугуне содержание С, Si, Mn, S и Р выше, чем в стали. Поэтому основная задача передела чугуна в сталь состоит в удалении части этих примесей с помощью окислительных процессов. Механизм этого окисления не зависит от типа сталеплавильной печи. Наиболее часто для этой цели используют мартеновский, кислородно-конвертерный и электродуговой способы. Для производства стали данной по заданию используются электродуговые печи.

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ

Рисунок 2.2 - Электродуговая печь для получения стали

Электродуговые печи (рис.2.2) обеспечивают низкий угар легирующих элементов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения, таких, как инструментальные, нержавеющие, жаропрочные и т.д. Сама печь состоит из подины, выложенной огнеупорным кирпичом 17 и футерованной внутри огнеупорной массой 18. Сверху располагается свод печи 20 с отверстиями для ввода графитовых электродов 21. Это печи с так называемой зависимой дугой, т.е. дуга 22 горит не между электродами, а между электродами и металлом.

В зоне горения дуги температура достигает 7000 ^°С, что обеспечивает проплавление шихты под электродами в виде колодцев, в которые скатываются остатки твердой шихты удаленных от электродов зон. Шихта 24 может быть твердой или смешанной – скрап и жидкий чугун. Для загрузки шихты удаляется свод или выкатывается подина. Необходимые по ходу плавки добавки вводят через окно 23, а готовую сталь сливают по футерованному желобу 19, для чего вся печь наклоняется в сторону металлической летки. Емкость печей достигает 400 тонн. В них получается качественный, хорошо раскисленный металл с низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Перевод на электроплавку сдерживается высокой стоимостью электроэнергии и сложностью системы питания печи электричество.

РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ

Присутствующие в стали неметаллические включения и газы резко снижают ее прочностные и эксплуатационные характеристики. В связи с этим разработано большое количество способов очистки стали, которые можно разделить на две группы. К первой относятся методы, которые предусматривают рафинирующую обработку после выпуска стали из печи перед ее разливкой.

Электрошлаковый переплав (рис. 2.3) считается наиболее эффективным методом рафинирования, так как после него содержание серы снижается до 0.005%, а количество оксидов и сульфидов снижается вдвое. Для начала процесса на медный поддон 7 устанавливают расходуемый электрод 9 и водоохлаждаемую изложницу 8. В зазаор между ними засыпается флюс, содержащий Al₂O₃, CaO и СаF₂. При включении тока между поддоном и электродом загорается электрическая дуга, которая расплавляют флюс.

Расплав флюса гасит дугу, и процесс автоматически переходит в электрошлаковый, при котором тепло выделяется за счет электросопротивления шлака. Электрод из обычной стали расплавляется в шлаке и капли 11, проходя через слой шлака 10, очищаются от примесей и скапливаются под шлаком в виде ванночки 12, питающей растущий вверх слиток 13.

РАЗЛИВКА СТАЛИ

Наиболее прогрессивной считается разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) рис. 2.4. В этом случае сталь из сталеразливочного ковша через промежуточный ковш 9, обеспечивающий равномерность подачи расплава, создавая запас времени для замены сталеразливочного коша с расплавом, поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 10, проходя через который сталь частично затвердевает, образуя корочку на поверхности, граничащей со стенками кристаллизатора, и опускается в зону вторичного охлаждения, где опорные ролики11, повторяющие конфигурацию слитка, снаружи опрыскиваются водой из системы орошения 12.

Ниже опорных располагаются тянущие ролики 13, обеспечивающие равномерность удаления из кристаллизатора слитка 14. Ацетиленокислородные резаки 15 позволяют разрезать непрерывно подаваемый слиток на мерные длины, которые поступают на прокатку. Слитки, получаемые на МНЛЗ, не имеют усадочных раковин, более однородны по химическому составу, однако на их поверхности часто образуются трещины, связанные с перепадом температур по сечению и большими усилиями вытяжки слитка из кристаллизатора.