Технологии » 2011 » Октябрь » 16 » Теория и технология производства стали.Футеровка металлургических печей.
03:19
Теория и технология производства стали.Футеровка металлургических печей.

Кудрин В. А.
Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с., ил.

Металлургия стали — это наука о спо­собах получения стали в количествах, имеющих промышленное значение.

Сталью называют деформируемый сплав железа с углеродом и другими элементами (марганцем, кремнием, серой, фосфором).
Для получения стали со специальными свойствами в металл вводят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам, медь, ниобий, ванадий и др., а также в увеличенных количествах марганец и кремний.
 
Получение железа в чистом виде является трудоемким и дорогос­тоящим процессом.
Механические свойства стали, в частности проч­ность, значительно выше, чем у чис­того железа.
В связи с этим чистое железо используют только для специ­альных целей; в технике и в быту обычно применяют сталь.

Основной примесью стали, в зна­чительной мере определяющей ее свойства, является углерод.
По содер­жанию углерода сплавы Fe-C делят на сталь и чугун.
 
При содержании ниже 1,7—2% С сплав Fe-C называют ста­лью, а при > 1,7 % С —чугуном.
 
Раз­личают сталистые чугуны (от 1,7 до 2,8-3 % С) и обычные чугуны ( > 3 % С).
При высоких температурах сталь обладает высокой пластичнос­тью, способностью коваться и прока­тываться.
Чугун этими свойствами не обладает.
Чугун имеет температуру плавления, значительно более низкую, чем сталь, поэтому обладает хороши­ми литейными качествами и широко применяется в литейном производ­стве.
 
В настоящее время выплавляют стали, содержащие, как правило, < 1,2 % С, и чугуны с 3,5-4,5 % С.

Техническое название железа и же­лезных сплавов — черные металлы.
Значение черных металлов вообще и стали в частности в народном хозяйстве огромно.
Без использования ста­ли не могли бы развиваться ни горная промышленность, ни транспорт, ни машиностроение, ни сельское хозяй­ство.
За последние 60—100 лет во мно­го раз увеличилось производство цвет­ных металлов, особенно алюминия, однако доля черных металлов в миро­вом производстве продолжает оста­ваться преобладающей и почти неиз­менной — около 95 % общего произ­водства металлов.
 
В течение многих столетий уровень экономической мощи того или иного государства оп­ределялся в первую очередь количе­ством выплавленной стали.
При этом основную массу составляли так назы­ваемые рядовые марки стали; доля ка­чественных и высококачественных марок была невелика.

Настоящий период развития ме­таллургии характеризуется коренным изменением как масштабов производ­ства качественной и высококачествен­ной стали, так и ее доли в общем про­изводстве и методов получения.
 
Это связано с рядом обстоятельств:
1) для производства стали требуются добыча угля и получение из него кокса, добы­ча добавочных материалов, сооруже­ние металлургических заводов, что связано с огромными и всевозрастаю­щими (в связи с истощением запасов богатых руд и дефицитом коксующих­ся углей) затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов;

2) развитие техники позволяет непре­рывно повышать эффективность металлургического производства, т. е. из того же количества руды и угля полу­чать    все    больше    металлоизделий;

3) непрерывное и осуществляемое все­возрастающими  темпами перевооружение промышленности связано с вы­водом из строя устаревшего оборудо­вания и соответственно с получением большого количества    металлолома металлолом (а не железная руда) все в большей степени становится основ­ным сырьем для производства стал  (это относится прежде всего к разви­тым в промышленном отношении странам, т. е. к странам с   большой «металлоемкостью» народного хозяй­ства);

4) высокие требования к каче­ству стали привели к разработке боль­шого числа новых технологий, что су­щественно изменило в последние годы положение дел в сталеплавиль­ной промышленности.
 
Требования новых отраслей техники  к качеству многих марок стали резко возросли 20-30 лет назад и продолжают возрас­тать.
В результате увеличились масш­табы производства стали и сплавов, содержащих ничтожно малое коли­чество газов, неметаллических вклю­чений и других нежелательных при­месей; разработаны новые способы обработки металла как в самом агрега­те, так и вне его.
 
Возможность получе­ния стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей при минимальном развитии ликвации обеспечивает возможность роста про­мышленного производства без суще­ственного увеличения     количества выплавляемой стали.
Все это, вместе взятое, определяет новую ситуацию в промышленности, при которой масштабы выплавки стали уже не характеризуют про­мышленную мощь. Главным стано­вятся высокое качество, чистота и надежность металлопродукции.
Не­избежное при этом усложнение тех­нологии оправдывается достигаемым результатом.

На протяжении многих лет, по мере развития науки и техники, наши специалисты имели возмож­ность пользоваться трудами ведущих отечественных ученых с мировым име­нем, находивших время и силы для своевременного создания соответству­ющих монографий, учебников.
 
Приме­ром таких фундаментальных работ яв­ляются книги: «Производство стали», В. Е. Грум-Гржимайло (Гостехиздат, 1933); «Металлургия стали», т. 1—3, М. М. Карнаухов (ОНТИ, 1934); «Электрометаллургия», А. М. Сама­рин (Металлургиздат, 1943); «Элект­рометаллургия стали и ферросплавов», Ф. П. Еднерал (Металлургиздат, 1950; 1955); «Металлургия стали», К. Г. Трубин и Г. Н. Ойкс (Металлургиздат, 1951); «Физическая химия пирометаллургических процессов», О. А. Есин и П. В. Гельд (Металлургиздат, 1954); «Теория процессов производства ста­ли», В. И. Явойский (Металлургиздат, 1963) и др.
 
В этих работах отражены многие важнейшие вопросы произ­водства стали, представляющие боль­шой научный интерес и в настоящее время.
Современная металлургия пережи­вает сложнейший период ускоренной модернизации.
 
Отрасль должна осво­ить самые современные и перспектив­ные технологии.
В этих условиях очень важна память о тех, кто в свое время заложил прочный фундамент отечественной металлургии.
 

Дополнительно...
 
Технологический процесс производства стали.
Схема производства стали. Способы раскисления стали.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твердость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения (теоретически до 2,14%).

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).
Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах: 2Fe + O2 = 2FeO + Q

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.
 
Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.
 
Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.
 
Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.
Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит CaO.
Фосфорный ангидрид P2O5 образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 x P2O5.
Оксид кальция CaO – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P2O5 и переводит его в шлак: 2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4 x P2O5 + 5Fe

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO.
Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак.
По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается.
Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.
 
Второй этап – кипение металлической ванны.
 
Начинается по мере прогрева до более высоких температур.
При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты: FeO + C = CO + Fe – Q

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.
При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны».
При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO.
Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап – основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы.
Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeS растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO: FeS + CaO = CaS + FeO
Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.
Третий этап – раскисление стали.
Заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.
Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.
В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO2, Al2O5, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака.
Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак.
Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:
  • спокойные – спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.
  • кипящие – кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: FeO + C = Fe + CO. Образующийся оксид углерода CO выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.
  • полуспокойные – полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.
Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав.
 
Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки.
Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Для справки.
 
Футеровка индукционных печей
 
Первой операцией футеровки печей является надежная изоляция индуктора. Индуктор необходимо изолировать для предупреждения межвитковых замыканий и возможных прорывов металла из тигля.
В случае таких неполадок неизолированный индуктор может мгновенно прогореть и выйти из строя; ремонт же индуктора часто связан с полной разборкой печи и длительным перерывом в работе установки.
Кроме того, нанесение гладкого изолированного слоя с внутренней стороны индуктора облегчает работу по набивке тигля.

Перед изоляцией индуктор следует тщательно очистить и прокрасить два раза эмалевой краской.
 
Состав смеси для изоляции индуктора следующий (в %):
Песок кварцевый К 50/100...50
Кварцевая мука...15
Бой шамотного кирпича (крошка, проходящая через сито №40)...6
Глиноземистый цемент (марок 300—500)...10
Жидкое стекло (уд. вес 1,25)...5
Вода...14

Ввиду быстрой схватываемости глиноземистого цемента не следует заранее приготовлять большое количество изолирующей смеси.
Сухие составляющие взвешиваются в указанном процентном соотношении и тщательно перемешиваются в лабораторных бегунах в течение 10—15 мин. Затем жидкое стекло разбавляется отмеренным количеством воды, заливается в сухую смесь и тщательно перемешивается.
Смесь должна иметь консистенцию густой сметаны.

Приготовленная смесь сразу же наносится на индуктор с внутренней его стороны и продавливается между витками индуктора.
Неровности слоя с внутренней стороны выравниваются.
Толщина изоляционного слоя не должна быть меньше 3—5 мм.
После полного покрытия индуктора изоляционным слоем ему дают просохнуть 8—10 час., после чего подсушивают электрическим нагревателем в течение 4—6 час. при температуре 100—120° С.
Трещины в обмазке, образовавшиеся после сушки, следует затереть той же изоляционной массой с внутренней стороны индуктора.
Наружную поверхность индуктора изолировать не обязательно, но необходимо проследить за изоляцией межвитковых пространств.
В целях предохранения изоляционного слоя при набивке футеровки изолированный индуктор следует с внутренней стороны обложить листовым асбестом.

Печь с подготовленным таким образом индуктором готова к футеровке.
По своему составу футеровки могут быть кислые или основные, в зависимости от чего они образуют при плавке металлов кислые или основные шлаки.

Основные футеровки состоят из магнезита, доломита, хромомагнезита и изговляются из кирпича или набиваются из соответствующих порошкообразных материалов.
Состав футеровки во многом определяет последующий процесс плавки металла: применяются кислые или основные шлаки, по разному шихтуются отдельные элементы (кремний), различно ведется процесс раскисления металла.

Известна и другая рецептура изоляции индуктора, где связующим является этилсиликат. Но эта смесь более дорога и не дает существенных преимуществ по сравнению с приведенной.
Для основной футеровки большое распространение получил хромомагнезит.
Небольшие габаритные размеры печи и весьма тонкий футеровочный слой не позволяют индукционные высокочастотные печи футеровать рядовым кирпичом; футеровку таких печей производят набивкой по шаблону специальной футеровочной массой, которая приготовляется следующим образом:
Хромомагнезитовый кирпич (бой) дробится на специальной дробилке и просеивается.
Для футеровочной массы хромомагнезитовая крошка берется в строго определенном соотношении по величине зерна, а именно:
Крошка с зерном № 12.....10%
Крошка с зерном № 30 .....30%
Крошка с зерном № 70 и мельче ....60%

Затем к ней добавляют 6% огнеупорной глины, предварительно просушенной, раздробленной в дробилке или на бегунах и просеянной через сито № 30.
Смесь тщательно перемешивают и увлажняют водным раствором борной кислоты (12 г борной кислоты на 1 л воды), для увлажнения 12 кг приготовленной футеровочной массы требуется 1 л раствора борной кислоты.
Влажную смесь тщательно перемешивают и накрывают влажной мешковиной.
В таком виде смесь рекомендуется выдержать 3— 4 часа.
Смесь, как говорят, «набухает», приобретает более пластичные свойства, после чего она готова для футеровки печи. При увлажнении смеси особое внимание следует обращать на отсутствие неразмешанных сырых комьев и плохо увлажненных мест.
 
Набивка печи
Для футеровки высокочастотных индукционных печей пользуются специальными шаблонами.
При футеровке печей небольшой емкости шаблон делается точеным с незначительным облегчением; для 60-килограммовой печи типа ИВ-60 применяется разборный шаблон из трех клиньев; для печей большей емкости (200 и 500 кг) изготовляется сварной шаблон из кровельного железа, который при набивке футеровки наполняется для тяжести железными отходами.
 
В предварительно изолированный индуктор по боковым стенкам укладывается асбестовый картон.
Затем набивается подина печи высотой обычно до второго витка индуктора.
Футеровочная масса разравнивается ровным слоем толщиной 30—40 мм и утрамбовывается металлическими трамбовками весьма плотно.
После набивки подины устанавливается шаблон.
В верхней части индуктора oн фиксируется тремя деревянными клиньями против сдвигов.
В промежуток между индуктором и шаблоном засыпается футеровочная масса также слоями в 30—50 мм и утрамбовывается по кругу трамбовками.
После утрамбовки очередного слоя перед засыпкой новой порции массы рекомендуется несколько поцарапать ломиком утрамбованный слой, что до некоторой степени предотвращает слоистость футеровки.
 
От тщательности составления футеровочной массы и от плотности набивки в большой степени зависит стойкость футеровки при плавке.
Раз начатую футеровку не следует прерывать до окончания, так как перерыв в трамбовке образует слоистость, которая при работе может положить начало трещине в футеровке.
 
Сушка печи
Зафутерованную печь следует тщательно просушить.
Через 4— 6 час из печи можно вынуть шаблон (если он точеный или составной), в сварном шаблоне, который нельзя извлечь из печи, для удобства сушки обычно сверлится большое количество отверстий.
Естественная сушка печи продолжается не менее суток, после чего в печь ставится электрический нагревательный элемент, и печь сушится еще 12—24 час. (в зависимости от объема футеровки).
В просушенную таким образом печь можно загружать металл для первой промывной плавки.
 
Прогон печи
 
Первую плавку во вновь зафутерованной печи следует вести на самом тихом ходу с затратой наименьшей мощности.
Обычно первая плавка по времени идет в два — три раза медленнее рядовых плавок.
 
Металл из первой плавки не может быть использован на отливку деталей, так как он сильно насыщен газами, которые выделяются новой футеровкой.
Первый металл следует по возможности перегреть в печи и быстро слить.
Футеровка в этом случае останется чистой, и тигель можно будет хорошо проверить в горячем состоянии, как говорят, «на свету», когда видны мельчайшие трещины в футеровке. Для первой промывной плавки рекомендуется использовать чугун, который следует довести до температуры 1450—1500° С.

Кислые футеровки в своей основе имеют кремнезем  (SiO2)  и изготовляются из специального динасовото кирпича, а также делаются набивными из кварцитов, кварцевых песков.
 
Футеровка печи кислым материалом производится совершенно аналогично, только хромомагнезит заменяется в этом случае кварцитом.

Процесс набивки печи, естественная сушка, сушка с подогревом и первая плавка производятся аналогично футеровке основным материалом.
На некоторых заводах производят сушку печей, пропуская ток от установки по сварному шаблону.
Такой способ сушки ничем себя не оправдывает, а частые включения и выключения установки наносят ей безусловный вред, поэтому от такого способа сушки следует отказаться.
 
Ремонт футеровки и уход за футеровкой.
 
Наиболее часто выходит из строя так называемый воротник индукционных печей - верхняя часть футеровки, идущая от последнего витка индуктора до верха печи с некоторым расширением кверху, а также футеровка сливного носка печи.
 
Выход из строя в первую очередь этих частей футеровки объясняется разъедающим действием шлака при плавке и образующимися настылями на сливном носке при разливке.
Дефектные места футеровки следует очистить от шлака и заделать с легкой утрамбовкой футеровочной массой с несколько большим (до 10—12%) содержанием глины.

Допускается полная смена «воротника» печи.
Ремонт футеровки необходимо производить весьма тщательно, не допуская трещины.
После каждой плавки футеровку должен осматривать мастер, решая вопрос о ее дальнейшей годности.
Категория: Металлы и сплавы | Просмотров: 1639 | Добавил: semglass | Теги: металлы, технология, Печи, свойства
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: