Содержание
Стр.
Ведение………………………………………………………………………….3
1 Производство стали…………………………………………………………..4
1.2 Раскисление и легирование………………………………………………5
2 Обоснование выбора плавильного агрегата………………………………...7
2.1 Устройство дуговых печей……………………………………………….8
2.2 Выплавка стали в основных дуговых электропечах……………………11
2.3 Технология плавки………………………………………………………..12
2.4 Окислительный период…………………………………………………… 13
2.5 Восстановительный период плавки……………………………………...15
2.6 Порядок легирования……………………………………………………..16
2.7 Одношлаковый процесс…………………………………………………..16
2.8 Применение синтетического шлака……………………………………… 16
2.9 Обработка металла аргоном………………………………………………17
2.10 Применение порошкообразного материала…………………………….17
2.11 Выплавка стали в кислых дуговых печах………………………………17
2.12 Плавка с использованием окатышей……………………………………18
3 Основные расчеты по материально-тепловому балансу……………………21
3.1 Материальный баланс……………………………………………………..21
3.2 Тепловой баланс…………………………………………………………...26
3.2.1 Приход тепла………………………………………………………..26
3.2.2 Расход тепла…………………………………………………………27
4 Техника безопасности в электросталеплавильном производстве…………..29
4.1 Организация производства и требования техники безопасности……….29
5 Охрана окружающей среды…………………………………………………...30
Заключение……………………………………………………………………..31
Список литературы
Введение
Металлургия — (от греч. metallurgéo — добываю руду, обрабатываю металлы, от métallon — рудник, металл и érgon — работа), в первоначальном, узком значении — искусство извлечения металлов из руд; в современном значении — область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд или др. материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры, а, следовательно, и свойств металлических сплавов. К металлургии относятся: предварительная обработка добытых из недр земли руд, получение и рафинирование металлов и сплавов; придание им определённой формы и свойств. В современной технике исторически сложилось разделение металлургии на чёрную и цветную. Чёрная металлургия охватывает производство сплавов на основе железа: чугуна, стали, ферросплавов (на долю чёрных металлов приходится около 95% всей производимой в мире металлопродукции). Цветная металлургия включает производство большинства остальных металлов. В связи с использованием атомной энергии развивается производство радиоактивных металлов. Металлургические процессы применяются также для производства полупроводников и неметаллов (кремний, германий, селен, теллур, мышьяк, фосфор, сера и др.); некоторые из них получают попутно с извлечением металлов. В целом современная металлургия охватывает процессы получения почти всех элементов периодической системы, за исключением галоидов и газов.
1. Производство стали
Сущность сталеплавильных процессов заключается в окислении примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора и др.) чугуна и стального лома оксидами железа шлака, железной рудой, чистым кислородом или кислородом воздуха и доведении состава жидко металла до состава марочной стали с последующим ее раскислением и легированием.
Сталеплавильные процессы отличаются большим разнообразием технологических условий и методов ведения плавок, а также типами использования агрегатов. Важнейшими в настоящее время являются основной мартеновский скрап — и скрап-рудный процессы (~ 40% от общего производства), кислородно-конверторный (~ 40%) и процессы выплавки стали в электропечах (дуговых и индукционных). Известны также кислые процессы, производящиеся в печах с кислой футеровкой; мартеновский и конверторный бессемеровский.
Способ производства стали определяет некоторые особенности ее качества – основная и кислая мартеновская сталь, бессемеровская, томасовская и другие, которые по своим свойствам существенно различаются.
Выплавка стали кислородно-конверторным процессом и в большегрузных электропечах непрерывно возрастает. Получают дальнейшее развитие способы вторичного рафинирования стали вакуумом или шлаком: вакуумный дуговой переплав (ВДП), вакуумный индукционный переплав (ВИП), электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумирование стали в ковше различными способами и другие методы переплава и обработки стали.
При окислительной плавке передача кислорода рафинируемому металлу осуществляется через шлак, который образуется из оксидов выгорающих примесей металла (/>и др.), флюсующих добавок (СаО) и огнеупорной футеровки печи (MgO, CaOи др.). Поэтому химический состав и физическое состояние шлака оказывают решающее влияние на полноту и скорость реакций окисления растворенных в металле углерода, кремния, марганца и фосфора, а также на удаление серы.
Сталеплавильные шлаки в зависимости от химического состава могут быть основными или кислыми. Основными шлаками называют такие, у которых отношение СаО/SiO/> (основность) изменяется в пределах 1,3-3 и выше. Кислые шлаки имеют основность
Основные шлаки позволяют удалять из металла вредные примеси – серу и фосфор. Поэтому основной сталеплавильный процесс получил наибольшее распространение.
Важнейшая характеристика шлака – его окисленность, т.е. содержание оксидов железа, в частности FeO, который является основным источником окисления примесей металла – кремния, марганца, фосфора и углерода. 1.2 Раскисление и легирование стали Раскисление сталипроизводят с целью ее очистки от растворенного в ней кислорода. Раскисление осуществляют двумя методами – осаждающим и диффузионным. Осаждение Раскисление происходит по реакции/> Продуктом реакции является не растворимый в жидком металле оксид элемента – раскислителя (Э). В качестве раскислителя может быть использован всякий элемент, оксид которого обладает более низкой упругостью диссоциации, чем оксид железа (II). Это условие выражается соотношением/>. Предпочтительнее брать такие элементы – раскислители – кремний, марганец, алюминий – и ферросплавы на их основе – ферросилиций (12, 45 и 75% Si), ферромарганец (72% Mn), силикомарганец и сплав AMS(18,5% Mn; 14,4% Sи 9,1% Al). Используются также силикокальций, силикоцирконий, ферротитан и др. Сущность диффузного раскисления стали заключается в восстановлении оксида железа (II) в шлаке элементами – раскислителями, входящими в состав смесей. Согласно закону раскисления />снижение (FeO) вызывает диффузию кислорода из металла в шлак до момента установления равновесия при данной температуре. Преимуществом диффузионного раскисления, в отличие от осаждающего, является чистота металла в отношении неметаллических включений, так как продукты раскисления остаются в шлаке. Порошкообразные раскисляющие смеси, в состав которых обычно входят углеродистые материалы, ферросилиций и алюминий, подаются на поверхность шлака в несколько приемов. Так как при диффузионном раскислении фосфор из шлака переходит в металл, то шлак предварительно скачивают возможно полнее. Высокая стоимость раскислителей и большой их расход ограничивают применение диффузионного раскисления только особыми случаями выплавки высококачественных легированных сталей. В зависимости от степени раскисления любая сталь может быть отнесена к одному из следующих трех типов – кипящая, полуспокойная и спокойная. Легирование сталипроизводится различными легирующими элементами – никелем, медью, алюминием и другими элементами или ферросплавами. Наиболее распространенные легирующие элементы – марганец, кремний и хром используется пи выплавке конструкционных и инструментальных сталей, а также сталей с особыми свойствами (трансформаторные, жаропрочные, нержавеющие и др.). Никель, молибден, ванадий и кобальт применяются для легирования конструкционных сталей особого назначения. В последнее время в качестве легирующих элементов и модификаторов находят все большее применение бор, титан, ниобий и редкоземельные элементы, которые обычно вводятся в металл в небольших количествах для повышения прокаливаемости, улучшения обрабатываемости, пластических и вязкостных свойств стали.
2 Обоснование выбора плавильного агрегата
Дуговая печь нашли широкое применение в металлургии — главным образом для плавки стали и в несколько видоизменённом виде для выплавки ферросплавов и чугуна из руд, а также в химической промышленности — для производства карбида кальция, фосфора и др. продуктов. Электроэнергия в Дуговая печь подаётся от трансформатора через медные шины и угольные или (чаще) графитированные электроды, большей частью круглого сечения. Наибольшее распространение получили трёхфазные Дуговая печь, в которых дуги горят между тремя электродами и перерабатываемым материалом. Современная электросталеплавильная Дуговая печь представляет собой мощный высокомеханизированный и автоматизированный агрегат (рис. 1), в котором сведена к минимуму продолжительность производственных операций между плавками — выпуск предыдущей и загрузка материалов для следующей, что позволяет наиболее эффективно использовать рабочее печное время. 2.1 Устройство дуговых печей 1 Общее описание дуговой электропечи Дуговая печь состоит из рабочего пространства (собственно печи) с электродами и токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками.Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным током. Шихтовые материалы загружают на под печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой. Выпуск готовой стали и шлака осуществляется через сталевыпускное отверстие и желоб путем наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.
/>
Рис 1.-Дуговая сталеплавильная печь ДСП-200 ёмкостью 200 т:
1 — графитированный электрод диаметром 710 мм; 2 — электрододержатель; 3 — свод; 4 — водоохлаждаемое сводовое кольцо; 5 — цилиндрический кожух; 6 — водоохлаждаемая вспомогательная дверка; 7 — электромеханический механизм поворота печи вокруг вертикальной оси; 8 — электромеханический механизм наклона печи; 9 — сливной носок; 10 — подвижный токоподвод из водоохлаждаемых гибких кабелей; 11 — шток для вертикального перемещения системы стойка — рукав — электродержатель — электрод; 12 — токоподвод из охлаждаемых медных труб.
Основной элемент конструкции Дуговая печь — металлический корпус в виде кожуха, как правило, круглого сечения. Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Огнеупорная кладка съёмного свода печи выполнена в кольце. Для загрузки шихты в печь свод обычно поднимают и отводят в сторону. В стенах Дуговая печь имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с жёлобом для слива металла и шлака в ковш. В своде расположены отверстия для ввода электродов, снабжённые водоохлаждаемыми металлическими коробками (экономайзерами). Дуговая печь устанавливается на люльке для возможности наклона печи в сторону рабочего окна или выпускного отверстия при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлическим приводом. Современные Дуговая печь снабжены индукторами для электромагнитного перемешивания жидкой ванны. Дуговая печь строят различной ёмкости (до 250 т) с мощностью трансформатора до 85 000 кв.
/>
Рис. 2. Схемы дуговых печей: а — прямого действия; б — косвенного действия; в — с закрытой дугой.
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 мартеновской 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.
По этой же причине имеют место меньшие потери металла на угар. Возможность ведения плавки на шлаке с более высокой температурой плавления и перегрева в условиях основного процесса облегчает осуществление десульфурации. При основном процессе плавки обеспечиваются все условия, необходимые для получения стали с минимальным содержанием серы.
В тоже время процесс дефосфорации в электродуговых печах хуже.
В электродуговых печах имеются благоприятные условия для переплава высоколегированных отходов. Здесь потери дефицитных легирующих элементов минимальны.
Особенностью выплавки стали в электродуговых печах является возможность работы с одним шлаком, без специального восстановительного периода. Это значительно сокращает продолжительность плавки, расход электроэнергии и улучшает все технико-экономические показатели процесса.
В процессе электроплавки конечный результат предопределяется в основном взаимодействии двух фаз – металлической и шлаковой. В остальных процессах тремя металлической, газовой и шлаковой
Поэтому 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.
Основное преимущество дуговой печи заключается в возможности раскисления и обессеривания металла и легкости его перегрева, поэтому в целях удешевления процесса иногда применяют так называемый «дуплекс-процесс», при котором расплавление скрапа и окисление ведут в более дешевом плавильном аппарате — мартеновской печи, а затем жидкий металл переливают в дуговую печь для рафинирования и доводки до нужного состава. Реже применяют дуплекс-процесс «конвертор-электропечь».
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.
Электродуговая печь может быть остановлена или пущена в эксплуатацию в любое время, удобное для производства, и при любом режиме работы. Капитальные затраты на установку электродуговых печей в среднем на 40% меньше, чем на установку мартеновских печей аналогичной производительности. 2.2 Выплавка стали в основных дуговых электропечах Основной составляющей шихты (75-100%) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не превышало 0.05%. при более высоком содержании фосфора продолжительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым). С ржавчиной (гидратом окиси железа) вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной бадьей). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки. В последнее время расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа – продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85-93% Fe, основными примесями являются окислы железа, SiO2 и Al2O3. Отличительная особенность этого сырья – наличие углерода от 0.2-0.5 до 2% и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличающуюся повышенной чистотой от примесей. Переплав отходов легированных сталей позволяет экономить дорогие ферросплавы. Эти отходы сортируют по химическому составу и используют при выплавке сталей, содержащих те же легирующие