Історія освоєння та сучасні методи обробки металів

Пудлінгування означало суттєвий прогрес в порівнянні з попереднім сиродувним способом і кричним переділом. Замість дефіцитного деревного вугілля застосовувалось кам'яне вугілля. Пудлінгові печі набагато продуктивніші. В результаті пудлінгування отримували зварювальне залізо з відмінною якістю.

Але зварювальне залізо і зварювальна сталь мали суттєвий недолік - нерівномірність складу в поперечному перерізі. Англійський майстер годинникової справи Бенджамін Хантсмен (1704-1776) прийшов до думки, що склад цих матеріалів можна вирівняти шляхом переплавки. Для того, щоб отримати сталь, Хантсмен використовував тигель із вогнетривкого матеріалу і підігрівав коксом піч з дуттям і високим горном. Це принесло успіх.

Французькі ковалі перші виготовили із литої сталі ножі, які були кращі шефілдських, завдяки своїй твердості. Старшини шефілдського цеху ковалів звернулись в палату общин англійського парламенту з проханням заборонити вивіз із країни литої сталі. Їх прохання було відхилено. Тоді шефілдським ковалям довелося переглянути свої погляди на литу сталь. Виробництво стальних виробів в Англії стало швидко розвиватись. Значно розширився експорт не тільки готових стальних виробів, але і стальних злитків

Високоякісна тигельна сталь мала добрі властивості в литому стані. Після винаходу Хантсмена, через 100 років з них робили паровозні осі, гарматні стволи. В 1851 році на Лондонській всесвітній виставці був показаний стальний злиток вагою 2150 кг. Для того щоб отримати таку виливку, прийшлось зливати в міксер (копильник) розплавлену сталь із багатьох тиглів ємністю по 45 кг кожний.

В епоху промислової революції потреба в залізі настільки виросла, що її не міг задовольнити і пудлінговий процес. Різні нові технічні застосування пудлінгового заліза показали, що воно не витримує великих навантажень. Наприклад, локомотиви стали важчі і швидкохідніші, і рейки, які виготовлялись із пудлінгової сталі, все частіше руйнувались. Назріло питання отримання більш якісної сталі.

2.2 Бесемерівський і томасівський процес отримання сталі

Основоположником сталеплавильного виробництва є Генрі Бесемер (1813-1898). Свої перші досліди він проводив в закритому тиглі 1, продуваючи розплав 2 повітрям через введену зверху трубку 3 (рис. 2.4). Тигель був встановлений в печі 4 для того щоб надати йому додатковий підігрів, який, як з'ясувалося пізніше, був непотрібний. В 1885 році Бесемер вперше отримав ковке залізо (сталь) шляхом продування повітрям 5 кг сирого чавуну, який розплавлений в тиглі з вогнетривкої глини.

Рис. 2.4 Продування чавуну повітрям для отримання сталі

Виявилось, що при продуванні повітрям розплавленого чавуну він не тільки не охолоджується, як думали раніше, але навпаки його температура зростає настільки, що ванна залишається рідка, не дивлячись на те, що сталь, яка утворилась з чавуну має вищу температуру плавлення. В 1855 році Бесемер отримав англійський патент на свій винахід. Прусське патентне відомство в Берліні відмовились видати йому патент, мотивуючи свою відмову таким чином: "не можна нікому заборонити продувати повітря через рідке залізо" - приклад нерозуміння суті технічного прогресу.

Новий процес отримання сталі з чавуну без палива і печі пройшов довгий час, перш ніж стало зрозумілим, що добру сталь дає тільки малофосфористий чавун. Якщо чавун має багато фосфору, то продукт отримується гіршим, ніж ковке залізо, - він стає "червоноламким" і "холодноламким" (крихким в гарячому і холодному стані). Завдяки цьому бесемерівський процес поширювався дуже повільно - спочатку він був прийнятий в Швеції, потім - в Австрії і пізніше в Англії. Широкому його поширенню протидіяло те, що він потребував малофосфористого чавуну.

Чавун з малим вмістом фосфору, завантажувався в тигель, який мав грушоподібну форму (є прототипом сучасного кисневого конвертора). Цей конвертор мав кислу футерівку і мав можливість повертатись на цапфі при виливанні отриманої сталі. В конверторі шлак збирався в верхній частині. Продування виконувалось через трубку, яка вводилась через вікно.

Широке застосування цього процесу стримувалось проблемою очистки чавуну від фосфору. Серед багатьох металургів, які вирішували цю проблему, першим досяг успіху Сідней Джілкріст Томас (1850-1885). Томас мав дві спеціальності. Він служив писарем в лондонському поліцейському суді, чим заробляв собі на життя, і одночасно вивчав хімію і металургію в гірничому училищі, де й зацікавився проблемою виведення фосфору із чавуну.

Немає суттєвої різниці між бесемерівським і томасівським процесом. В основі обох лежить один і той же принцип: чавун, з якого отримують сталь, очищують, продувають через нього повітря. Місткість, де проходить реакція (конвертор), має грушоподібну форму з відкритою горловиною зверху і має можливість нахилятись завдяки горизонтальній осі - цапфі.

Основна різниця між цими процесами в тому, що бесемерівський конвертор всередині викладений кислою (за хімічним складом вогнетривкою футеровкою) і в ньому неможливо виділити фосфор з чавуну в основний шлак тому, що такий шлак швидко роз'їдає кислу футеровку. Томасівський конвертор мав основну футеровку, тому, додаючи вапно, можна отримати основний шлак, який добре виводить фосфор з чавуну, але не роз'їдає основної футеровки.

Конвертор дозволяє за 20 хв. перетворити в сталь 20 т чавуну. Для виробництва такої кількості сталі в горні способом кричного переділу потрібно було б 3 тижні, а в пудлінговій печі - тиждень.

Бесемерівський і томасівський конвертори були необхідні для масового виробництва сталі загального призначення, тоді як високоякісні спеціальні сталі продовжували виплавляти в тиглях.

Брати Вільгельм і Фрідріх Сіменси винайшли регенеративний спосіб підігріву печей, і після того, як був отриманий патент на цей винахід, була побудована перша піч. Суть регенеративного підігріву полягає в попередньому підігріві повітря, яке необхідне для горіння палива. Для підігріву використовувався газ, який відходив під час горіння і є продуктом горіння. Для цього через деякий проміжок часу повітря направляється то через один, то через другий регенератор (коли повітря для горіння проходить через один регенератор і охолоджує його, саме нагрівається, гази, які відходять, підігрівають другий регенератор). В дослідній печі братів Сіменсів стальні частини всередині печі через 6 годин розплавились, а тигель, який був розміщений в топ-очній камері, перетворився в шлак.

Перші практичні спроби виплавити тигельну сталь в подібних печах на сталеливарному заводі в Шеффілді закінчилися невдачею (разом зі сталлю плавився тигель і стінки печі).

В 1846 році на одному із заводів південної Франції Сьєру Мартену (1824-1915) вперше вдалося зварити хорошу сталь в регенеративній печі, яку побудували при участі Вільгельма Сіменса. Шихта складалася з чавуна, який виплавлявся з гематиту - червоного залізняка з острова Ельба, чушок пудлінгового заліза і стального лому.

Мартенівський процес (німці називали його Сіменс - мартенівським) поряд з бесемерівським і томасівським визначив ще один великий крок в розвитку металургії. Цей процес зберіг велике практичне значення до наших днів для повторного виробництва сталі з лому і стальних відходів. Цікаво відзначити, що Генрі Бесемер винайшов свій конвертор, а Вільгельм Сіменс - регенеративну піч в один і той же час і жили вони на сусідніх вулицях Лондона й нічого не знали один про одного.

Мартенівський процес отримав широке поширення після Паризької виставки 1867 року. В Росії першу мартенівську піч побудували в 1869-1870 роках на Сормовському заводі. В той час виробництво сталі в Англії перевищило 5 млн. т. і продовжувало швидко зростати (в середньому за рік виплавлялось 50 - 100 тис. тон).

2.3 Сучасні методи виплавки сталі

Чавун - це сплав на основі заліза, який включає 2,14% і більше вуглецю, а також в незначній мірі інші домішки, в тому числі і шкідливі (фосфор і сірку). Отримують його в доменних печах з червоних, магнітних, бурих і шпатових залізняків, марганцевих руд шляхом відновлення заліза і насичення його вуглецем та іншими елементами. Основна частина чавуна (більше 80%) використовується для виплавки сталі.

Залізні руди - це гірська порода, яка складається із хімічних з'єднань заліза (Fе2O3; Fe3O4; 2Fe2O33Н2O; Fe3CO3) і пустої породи (пісковику, глини, вапняку чи доломіту). До руд ставляться такі вимоги: високий вміст заліза (в межах ЗО - 70%); добра відновлюваність; склад і стан пустої породи, що забезпечує легкість її видалення у вигляді шлаку; задовільна кусковатість; низька вартість.

Магнітний залізняк (магнетит) включає 40…65% заліза у вигляді магнетиту Fe3O4; червоний залізняк (гематит) - 58…60% заліза у вигляді окисла Fе2O3; бурий залізняк - 50…60% заліза у вигляді сполуки 2Fe2O33Н2O і шпатовий залізняк (сидерит) - 30…45% заліза у вигляді карбонату Fe3CO3. Також в доменній плавці використовують комплексні руди: хроміти, які включають крім заліза 37,5% окисла хрому, хромонікелеві залізні руди (1,5% хрому і 0,5% нікелю), титаномагнетити (0,4% ванадію і до 13% двуокисла титану).

Крім руд, в доменній плавці застосовують відходи металургійного виробництва: скрап, залізні і марганцеві шлаки, спечений рудний пил, окалина, огарки і т. ін. Марганцеві руди використовують для введення марганцю в склад чавуна. Вони містять 25…50% марганцю у вигляді окислів МnО; Мn2О3; Мn3O4.

Поряд з рудами вихідним матеріалом для отримання чавуну є паливо, флюс і повітря. Паливом є кокс. В природі він не існує, а отримують його з кам'яного вугілля, яке може коксуватись і спікатись. Такого вугілля в природі не дуже багато, тому воно з кожним роком дорожчає. Це вугілля не треба перетворювати в кокс. Процес цей складний, трудомісткий і супроводжується виділенням шкідливих побічних продуктів. Щоб по можливості не дати проникнути їм в атмосферу, воду і грунт, будуються дорогі очисні споруди.

Також в якості палива для доменних печей може застосовуватися природний газ.

Флюси використовуються для оплавлення тугоплавкої пустої породи руди і попелу палива з утворенням низькоплавкого шлаку визначеного складу, який легко витікає з доменної печі, а також для часткового переведення сірки в шлак. Так як частіше за все пуста порода має кислотний характер, то в якості флюсів застосовують основні матеріали - вапняк СаСО3, доломіт СаСО3МgСО3, основний марганцевий шлак. Якщо склад породи має основний характер, то в якості флюсу застосовують кварц, пісковик і т. ін. Флюси не повинні вміщувати значної кількості сірки і фосфору і не більше 2…4% кремнезему і глинозему, які збільшують витрати флюсів і кількість шлаку, який отримується. Вміст кальцію повинен бути не менш 50…52%. Флюси перед плавленням подрібнюються на куски розміром 30…80 мм.

Повітря забезпечує горіння палива і отримання високих температур в доменній печі. Вдувають його нагрітим до температури 980…1200°С. Разом з повітрям частково подається до 32% кисню, який забезпечує підвищення температури і різко прискорює хід плавлення.

Вихідні матеріали для отримання чавуну, які беруться в певних пропорціях, називають шихтою. Всі шихтові матеріали перед завантаженням в домну проходять певну підготовку. В першу чергу це стосується руд. Їх сортують по вмісту заліза, по величині шматків; хімічному складу і т. ін. Потім руди збагачують і отримують концентрат, який вміщує підвищену кількість металу. Збагачення виконується миттям, гравітаційними методами, магнітними і т.ін. Миття руди сильним струменем води дозволяє частково видалити піщано-глиняну пусту породу від мінералів, багатих на залізо.

Гравітаційний метод (мокре відсадження) представляє собою розділення тяжких, багатих металом кусків руди від більш легкої, пустої породи в струменях води, яка піднімається чи тяжких суспензіях. Магнетити збагачують електромагнітними сепараторами після їх подрібнення.

Після збагачення руди виконується окусковування концентратів (брикетування, агломерація або отримання окатишів). Найбільш поширеним є агломерація (спікання) на потужних машинах безперервної дії продуктивністю до 3000 тон за добу. В результаті спікання шихти при температурі 1200…1500°С утворюється пористий агломерат, який має певну міцність, добре відновлюється і має знижений вміст сірки.

Окусковування можна проводити методом отримання окатишів (розміром 10…30 мм) в барабанах, які обертаються. Для отримання окатишів дрібний концентрат змішують з вапном чи глиною і зволожують до 8…10%. В барабанах шихта пересипається і скатується в окатиші.

Доменна піч - це вертикальна плавильна піч шахтного типу. Свою назву вона отримала від домниці, яка застосовувалась в Росії в ХVІІІ - IX сторіччі.

Сучасна доменна піч - це потужний і високопродуктивний агрегат з об'ємом, який займає шихтний матеріал (корисний об'єм) 3000…5000 м3, продуктивністю більше 5000 т. чавуна за добу.

В 1975 році в Кривому Розі почала працювати найбільша домна в світі об'ємом 5000 м3, яка була побудована за два роки. Кожен рік ця піч дає більше 4 млн. т. чавуну. Домні "зразка 1800 року" "необхідно працювати" 24 роки, щоб виплавити стільки чавуну, скільки дає криворізька домна за добу.

Корисна висота таких печей досягає 30 м і більше. Доменна піч (рис. 2.6) зовні заключна в сталевий кожух, а всередині футерована вогнетривкою (шамотною) цеглою. Внутрішня будова печі включає колошник 1, шахту 2, розпар 3, заплечики 4 і горн 5.

Колошник обладнаний литими сталевими сегментами, які захищають вогнетривку футерівку від руйнування при ударах шихти, яка завантажується в піч.

В верхній частині печі є завантажувальний пристрій, який включає воронку 6, малий конус 7, великий конус 8 з воронкою 9. Шихта подається на колошник по похилому мосту стрічковим транспортером 10. З нього шихта спочатку попадає на малий конус, який повертається навколо осі, для більш рівномірного завантаження. Далі шихта попадає на великий конус. Малий і великий конус опускаються не одночасно, для того, щоб запобігти викиданню доменних газів із печі в атмосферу. У великий конус через малий конус засипають певну кількість шихтових матеріалів, які утворюють, так звану колошу. В процесі опускання великого конуса колоша падає в піч. Рудну частину шихти і коксу завантажують роздільно, тому в печі утворюються два шари - коксу і рудної частини.

Для подавання визначеної кількості шихти служать бункери-дозатори 11, які подають останню на стрічковий транспортер.

В нижній частині домни знаходяться фурми 12, через які вдувається в піч нагріте повітря, або повітря збагачене киснем, а інколи - газоподібне, рідке чи пилоподібне паливо для економії коксу. Чавун і шлак безперервно стікають вниз і періодично випускаються через чавунний льоток 13 в чавуновоз 14 і шлаковий льоток 15 в шлаковоз 16.

Процес доменної плавки неперервний, а завантаження шихтових матеріалів і випуск чавуна і шлаку виконується періодично за встановленим режимом. Вихідні матеріали поступають в доменну піч зверху, а в нижню частину печі через фурми 12 подається нагріте повітря 17, яке отримується із холодного дуття 18. Нагрів холодного повітря виконується в повітронагрівачі (каупері) 19. Каупер працює завдяки згорянню колошникового газу, який поступає з верхньої частини домни. Через фурми 12 також може подаватись повітря, збагачене киснем, або газоподібне паливо. Гази, які утворюються при згорянні палива, піднімаються назустріч шихтним матеріалам, які опускаються, нагріваючи їх, відновлюють і плавлять. Таким чином, піч працює за принципом протипотоку, що дозволяє повніше використовувати тепло. Монтується доменна піч на бетонному фундаменті 20, а між фундаментом і горном знаходиться лещадь (холодильник) 21.

Як правило, біля кожної доменної печі є три - чотири повітронагрівачі, які працюють поперемінно. В результаті взаємодії кисню повітря і окислів руди з вуглецем утворюється доменний газ, який піднімається вверх зі швидкістю 20…60 м/сек. Враховуючи опір матеріалів шихти тиск газів при підході до колошника знижується до 1,5…3,7 атм. (0,15…0,37 МПа). Після очищення від пилу газ використовується для нагрівання повітронагрівачів, мартенівських, кузнечних, термічних печей, опалення адміністративних приміщень і як паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Колошниковий пил, який отримується при очищенні доменного газу застосовується в процесі агломерації.

2.4 Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в доменній печі. Продукти доменного виробництва

Під час плавлення чавуна в печі виконується два основних процеси: відновлення заліза з окислів руди, навуглецьовування його і видалення у вигляді рідкого чавуна визначеного хімічного складу; оплавлення пустої породи руди, утворення шлаку, розчинення в ньому золи коксу і видалення його із печі.

Шихтні матеріали при завантаженні в колошник зустрічаються з температурою 200…300С, при переміщенні вниз на рівні фурм зустрічають температуру 1800…1900 °С і понижуються в горні до 1450 °С. Повітря, яке вдувається через фурми, обумовлює горіння коксу по реакції:

C + CO2 = CO2 + 94052 кал (394 кДж)

Зустрічаючи розкалений кокс при високій температурі, вуглекислий газ відновлюється: СО2 + С = 2СО - 42012 кал (176 кДж)

Також, окис вуглецю утворюється в результаті взаємодії водяної пари і вуглецю коксу: Н2О + С = СО + Н2 - 31382 кал (132 кДж)

У верхніх горизонтах доменної печі при температурі 100…200°С випаровується волога, а при 300…350 °С видаляється гідридна вода. З палива видаляються летучі речовини. При вищих температурах (до 900°С) розкладається вапняк з виділенням вуглекислоти:

СаСО3 =СаО + СО2 - 42490 кал (Г78 кДж)

Відновлення заліза проходить послідовно за схемою:

Fе2О3 Fе3O4 FеО Fе

При невисоких температурах проходить непряме відновлення руди окислом вуглецю:

ЗFе2О3 + СО = 2Fе2O4 + СО2 + 12136 кал (50,7 кДж)

2Fе3O4 + 2СO = 6FеО + 2СО2 - 16528 кал (69,2 кДж)

6FеО + 6СО = 6Fе + 6СО2 + 23616 кал (99,1 кДж)

При високих температурах (>950 °С) в нижній частині печі проходить пряме відновлення заліза за рахунок сажистого вуглецю, який осаджується в порах матеріалів:

FеО + С = Fе + СО - 37284 кал (155,5 кДж)

Газами відновлюється близько 60% заліза, яке отримується в доменній печі, а твердим вуглецем - близько 40%. Крім заліза, в доменній печі відновлюється кремній, марганець, сірка, фосфор та інші елементи. Відновлення кремнію і марганцю проходить при високих температурах (близько 1450°С) твердим вуглецем і потребує великих витрат тепла і палива:

SiO2 + 2С = Si + 2СО - 152568 кал (639,5 кДж)

МnО + С = Мn + СО - 65584 кал (275,8 кДж)

Сірка, як шкідливий домішок чавуна, повинна бути якнайповніше видалена із нього. В доменну піч сірка попадає разом з шихтою (є в коксі, руді і флюсах). Близько 10-16% сірки вивітрюється з газами у верхніх горизонтах печі. Для видалення сірки забезпечують надлишок вапна в шлаках і високу температуру в горні. Сірка видаляється за реакцією.

FeS + СаО = СаS + FеО + 4380 кал (18,4 кДж)

Сульфід кальцію, який утворився, не розчиняється в чавуні, переходить в шлак і разом з ним виводиться з печі. Додатково сульфід кальцію видаляється після випускання його з доменної печі за рахунок взаємодії сірки з марганцем, якого для цього повинно бути в чавуні достатньо:

FeS + Мn = Fе + МnS + 21700 кал (90,9 кДж)

Фосфор також є шкідливою домішкою чавуна, але його видалення з рідкого чавуна в умовах доменної плавки є затрудненим. Фосфор, який потрапив в доменну піч разом з шихтою, розчиняється в чавуні і запишається в ньому.

Безпосередньо після відновлення в доменній печі отримується тверде пористе губчате залізо з високою температурою плавлення 1539°С. При його взаємодії з окисом вуглецю утворюється карбід заліза (цементит) Fе3С:

ЗFе + 2СО = Fе3С + СО2 + 36220 кал (150,4 кДж)

Цементит розчиняється в залізі, навуглецьовує його до 4,3% і понижує температуру плавлення до 1140…1150°С. Навуглецьоване низькоплавке залізо розплавляється, краплинами стікає в горн і по шляху розчиняє кремній, марганець, сірку, фосфор та інші елементи. Сплав, який утворився і є чавун - головний продукт доменної плавки.

Шлакоутворення повинно проходити після закінчення процесів відновлення заліза з руди, так як інакше легкоплавкий холодний шлак стікає в низ печі, захолоджує її, порушує нормальний хід плавки і призводить до зміни хімічного складу чавуна і шлаку. Узгодження процесів відновлення і шлакоутворення досягається підтриманням визначеного хімічного складу і температури плавлення шлаків, а також регулювання всього ходу плавки.

Утворення шлаку починається після опускання шихти приблизно до розпаду при температурі 1200°С, коли пуста порода сплавляється з флюсами (вапном). При стіканні шлаку вниз він збіднюється окислами заліза і марганцю, збагачується вапном і набуває заданого складу.

Продуктами доменного виробництва є чавун, шлак і доменний газ.

Чавун, як головний продукт, виплавляють трьох видів: передільний, ливарний і спеціальний (феросплави). Передільний чавун іде на переплавку при виробництві сталі його відсоток складає близько 80%. Ливарний чавун застосовується для отримання фасонних виливок і його виплавляється близько 16% від виробництва всього чавуна. Він має підвищений вміст кремнію, який покращує ливарні властивості чавуна.

Доменні феросплави застосовуються у виробництві сталі як присадки і як розкислювачі, в сталеплавильних печах і при виробництві чавуна в вагранках. Їх виплавляють приблизно 4% від всього виробництва чавуна. Феросплави відрізняються від передільного і ливарного чавуна підвищеним вмістом марганцю і кремнію. Розрізняють три види феросплавів: феросиліцій, з вмістом 10…15% кремнію, феромарганець, з 70…80% марганцю і дзеркальний чавун, з 10…25% марганцю.

Другим по значимості продуктом доменного виробництва є доменні шлаки, які після отримання гранулюють водою для отримання дрібнозернистої маси. Отримані шлаки використовуються для виготовлення цементу, цегли, шлакоблоків та інших будівельних матеріалів.

Третім продуктом доменного виробництва є доменний газ, який після очищення від пилу використовують як газоподібне паливо в повітронагрівачах, для опалення різних печей, нагрівання ковшів тощо.

Доменні печі працюють безперервно протягом 5…6 років, після чого їх зупиняють на капітальний ремонт. Основною причиною зупинки на ремонт є вигорання вогнетривкої футеровки. Для визначення часу зупинки домни на ремонт служить радіоактивний ізотоп 60Со, який замуровують в вогнетривку кладку в найненадійнішому місці під час будівництва або капітального ремонту печі. Періодично до даного місця підносять лічильник Гейгера, за допомогою якого виявляють - випромінювання. Послаблення такого випромінювання або відсутність його зовсім говорить про те, що ізотоп 60Со відійшов разом із чавуном і кладка вигоріла до критично-можливого місця, що є сигналом для зупинки печі на капітальний ремонт.

Страницы: 1, 2