Модуль 2.1. Основи сталеплавильного виробництва
Тема: ,,Основні реакції сталеплавильних процесів”
Мета: студенти повинні вивчити основні реакції сталеплавильних процесів,
характеристику шлаків, вивчити як поводять себе в сталі гази та
неметалеві включення ,як вони впливають на сталь, вивчити як
проводять розкислення сталі і навіщо це потрібно.
Тип уроку: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина – 3 хв
2. Опитування по темі: ,,Основи сталеплавильного виробництва” – 20 хв
1) Класифікація сталі.
2) Сучасні засоби отримання сталі.
3) Сирі матеріали сталеплавильних матеріалів.
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План.
1) Характеристика сталеплавильних шлаків.
2) Основні реакції сталеплавильного процесу.
3) Гази та неметалеві включення в сталі.
4) Розкислення сталі.
4. Закріплення нової теми – 15 хв
1) Що є шлаком, які функції він виконує?
2) Які бувають шлаки, де вони беруться?
3) З чого складаються шлаки?
4) Що є хім. властивостями шлаку, дайте їм характеристику.
5) Що є фіз. властивостями шлаку, дайте їм характеристику.
6) Які основні реакції окислення протікають у сталеплавильній ванні? Дайте їм характеристику.
7) Які гази присутні в сталі, чи добре це, чому?
8) Що таке НВ, як вони впливають на якість сталі, як цьому запобігти?
9) Що є розкислюванням, навіщо воно потрібне?
10) Як проходе розкислення металу?
5. Підсумки уроку - 2 хв
Д/з. Лінчевський стор. 104-116.
1. Шлак є побічним продуктом сталеплавильної плавки, без якого неможливо виплавити сталь. Шлак виконує слідуючі функції:
1) веде процес по потрібному технологічному шляху, з’являючись окислювачем та відновлювачем (конв., март., - окислювання; електропечі – відновлювання наприкінці);
2) виводить із металу і утримує у собі шкідливі домішки, створює умови для утримання S та P ;
3) очищує метал від проходження пічних газів (N2, H2).
Шлаки бувають основні та кислі. Якщо футерівка агрегату кисла (динас), то утворюється кислий шлак, а якщо основна (магнезит, смолодоломит),шлак утворюється основний.
Шлак формується з продуктів руйнування футерівки, з брухту, доменного шлаку – це первинний шлак, що зкачується. Після чого наводиться вторинний шлак шляхом присадки шлакоутворюючих матеріалів.
До складу шлаку входять:
· алюмінати: CaO*Al2O3; FeO*Al2O3; MnO*Al2O3;
· фосфорати: 4CaO*P2O5; 2FeO*P2O5; MnO*P2O5;
· сілікати: 2CaO*SiO2; 2FeO*SiO2; Mn*SiO2 .
До хімічних властивостей шлаку відносять основність та окислюваність. Основність – це здібність шлаку вбирати з металу та утримувати шкідливі домішки (S, P).
B = (%CaO/%SiO2) = 3,0-3,5 (конв.) 2,0-2,8 (март.)
При низькій основності шлаку S i P переходять з шлаку в метал, а при підвищеній – збільшується в’язкість шлаку, що сповільнює окислювальні процеси.
Окислювальність – це здібність шлаку передавати кисень металу. Окислювальна здібність визначається кількістю FeO в шлаці. Якщо FeO більше в шлаці, то шлак окислює домішки, а якщо FeO в металі, то шлак відновлює домішки.
До фізичних здібностей шлаку відносять питому вагу, температуру, в’язкість, рідкотекучість. Питома вага залежить від складу шлаку, кількості окислів, питомої ваги окислів та їх з’єднань. Температура залежить від температури металу, t плавлення окислів та їх з’єднань. Температура шлаку завжди вище t металу на 20-30 oC.
В’язкість залежить від t та складу шлаку. Чим вище t шлаку, тим нижча в’язкість, тим краще окислювальний процес. Тому на поверхню шлаку присаджують розжижувач.
2. При виплавлені сталі у розплав подають газо видний кисень, за допомогою якого протікають окислювальні реакції, які і підвищують температуру ванни.
Основні реакції, що протікають у сталеплавильній ванні:
1) [C] + [O] = {CO} – окислення вуглецю триває на протязі всієї
плавки.
2) [Mn] + [O] = (MnO)
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] – окислення марганцю проходить на
початку плавки.
При підвищенні температури та основності шлаку концентрація Mn в металі підвищується і він починає відновлюватися.
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] – відновлення марганцю наприкінці плавки.
3) [Si] + 2[O] = (SiO2) – окислення кремнію протікає в період плавки.
[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe]
Kремнієм ошлаковується FeO i MnO:
(FeO)n*SiO2, (MnO)m*SiO2
(FeO)n*SiO2 + 2(CaO) = (CaO)2*SiO2 + n(FeO)
4) P є шкідливою домішкою, що погіршує мех. здібності сталі (хладноламкість). Тому дефосфорація повинна бути в межах 0,015-0,07%.
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe]
(P2O5) + 3(FeO) = (FeO)3*P2O5
(FeO)3*P2O5 + 4(CaO) = (CaO)4*P2O5 + 3(FeO)
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)4 + P2O5 + 5[Fe]
З підвищенням температури дефосфорація знижується, тому необхідно присаджувати вапно, скачувати шлак.
5) S є шкідливою домішкою, що надає металу червоноломкість
(при прокатці). Допустимий вміст S в сталі 0,005-0,06%.
Fe + [S] + (CaO) = (CaS) + (FeO).
3. Гази (O2, H2, N2) впливають на якість сталі. Чим менше газів в сталі, тим якісніше сталь. O2 – є позитивною домішкою, але в готовій сталі повинен бути у межах 0,003-0,03%. Для видалення O2 під струю металу присаджують феросплави. Н2 – шкідлива домішка, в готовій сталі при вмісті більш 7см3/100г металу з’являються флокени. Зменшують вміст Н2 інтенсивним кипінням ванни, використанням підігрітої шихти. N2 – шкідлива домішка, при вмісті більш 0,008% сталь швидко зношується. Зменшують вміст N2 чистотою шихти, введенням Ti.
НВ – це з’єднання, що погіршують міцність сталі, твердість, пластичність, ударну в’язкість. У ванну потрапляють з шихтою, паливом, продукти руйнування футерівки, розкислення. До складу НВ входять Cr2O3, Al2O3, MgO, MnO та їх з’єднання. Для видалення НВ необхідно мати меншу в’язкість металу, для розкислення використовувати комплексні феросплави, використовувати поза пічну обробку.
4. Розкислювання – це виведення О2 із металу, підвищення вмісту деяких хім. Елементів у готовій сталі (Si, Mn, Mo, Cr, V, W та ін.) присадженням під струю металу FeMn, FeSi, SiMn, FeTi, FeCr…
кп – FeMn, (Al, Ac);
нс – FeMn (або SiMn ), FeSi;
сп –SiMn (або FeMn), FeSi (Al).
Блок 2. Металургія сталі
Модуль 2.2. Виробництва сталі у конверторах
Тема: ,,Виробництво сталі у конверторах” .
Мета уроку: студенти повинні знати улаштування кисневого конвертора, технологію плавки.
Тип уроку: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина – 2 хв
2. Опитування по темі: “Основні функції сталеплавильних процесів” – 15 хв
1) Характеристика сталеплавильних шлаків.
2) Основні реакції сталеплавильного процесу.
3) Гази та неметалеві включення в сталі.
4) Розкислення сталі.
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План
1) Історія виникнення киснево-конверторного способу виробництва сталі.
2) Улаштування та футерівка конвертора.
3) Технологія виплавки сталі у кисневому конверторі.
4. Закріплення нової теми – 20 хв
1. В якому році і як виник бесемерівський засіб одержання сталі?
2. Використовується зараз чи ні, чому?
3. В якому році і як виник томасівський засіб виробництва сталі?
4. Використовується зараз чи ні, чому?
5. Як виник киснево-конверторний засіб виробництва сталі?
6. Що таке конвертор?
7. З яких частин складається конвертор?
8. Якими матеріалами футерують конвертор?
9. З яких періодів складається технологія виплавки сталі в кисневому конверторі?
10. Дайте характеристику періодам технології виплавки сталі в кисневому конверторі.
11. Розкажіть про газ та пил, що виходять з кисневого конвертору під час виплавки сталі.
5. Підсумки уроку – 3 хв
Д/з Лінчевський стор. 116-132
1. В 1855 р. у Англії Генрі Бесемер запропонував у конверторі з динасовою футерівкою продувати чавун повітрям. У Росії бесемерівський спосіб попробували в 1857 р., а в масовому масштабі – у 1872 р. (в той час з-д Петровського у Дніпропетровську), а у Кривому Розі – 1939 р.
Стійкість 800-2000 плавок.
Недоліки: 1) багато N2; 2) багато P, S; 3) брухту 3-9%.
Зараз не використовується, останній у світі знищили в 1983 р. в Дніпродзержинську.
В 1878 р. Сідней Томас удосконалив бесемерівський конвертор, використав основну футерівку ( обпалений доломит на кам’яновугільній смолі) . з’явилася можливість виводити Р. Стійкість – 400-500 плавок. В днищі фурми замінені на сопла. Недоліки: 1) багато N2, P, НВ. Зараз не використовують.
Бесемерівський та томасівський процеси в 1952 р. витіснив киснево конверторний .
На можливість використання чистого О2 вказував ще Мендєлєєв, перші досліди були проведенні в СРСР в 1934 р. Моровим. А у 1952-53 рр. в Австрії у м. Ленце та Доновице був запатентованим ( Л-Д процес). Перші КК були введені в стрій діючих у Дніпропетровську та Кривому Розі (1956-57рр.) .
2. Конвертор – це агрегат для переробки рідкого чавуну в сталі засобом продування його крізь фурму газами – окислювачами: повітря, повітря збагачене О2, суміш О2 з вуглекислотою, технічно чистий О2 . У нас лідну продувки вміст домішок у металі знижується за рахунок протікання окислювальних реакцій, а температура металу зростає з 1300-1440 до 1590-1650 оС.
Кисневий конвертор складається з :
· зварного кожуха;
· опорного кола;
· двох цапф (одна приводна – 200 т. дві прив. – більш 200 т.)
Футерують конвертор:
1) смолодоломітова цегла; 2) шамотна цегла; 3) магнезитова цегла;
4) хромомагнезитова цегла; 5) перекладошпинелидна цегла;
6) магнезитовий порошок; 7) шамотний порошок; 8) вогнестійка глина; 9) рідке сило; 10) сіркокислий магній.
Стійкість 650-700, але досягають і 1500 плавок. Руйнується футерівка хімічно і механічно.
3. Технологія виплавки сталі в кисневому конверторі складається з періодів:
1) огляд футерівки конвертора (1-10 хв.);
2) завалка металобрухту (3-4 хв.) за допомогою електро-мостового крану;
3) заливка чавуну (3-4 хв.);
4) продувка плавки (12-20 хв.) крізь фурму подають О2, фурма охолоджується Н2О;
5) повалка конвертора (5-7 хв.) відбір проб, замирювання температури;
6) випуск сталі та її розкислення (5-8 хв.);
7) злив шлаку (1-2 хв.);
Всього 25-50 хвилин.
Під час продувки металу за допомогою тракту подавання сипних матеріалів додають вапно, плавиковий шпат, боксит, антрацит.
В кисневому конверторі у процесі плавки з’являється 19000 м3/г запилених газів, пилу 20-120 г/м3.
Склад газу: СО – 80% ; СО2 – 10-15% ; Н2, О2, N2 – 5-10%.
Склад пилу: Fe2O3 – 60-70%, MnO – 3-4%, CaO – 5-10, SiO2 – 5-10%.
Над кожним конвертором є газоочисник.
Блок 2. Металургія сталі
Модуль 2.2. Виробництво сталі в конверторах
Тема: Різновид киснево-конверторного процесу.
Мета уроку: студенти повинні знати технологію переробки високо фосфористих чавунів, особливості донної та комбінованої продувки, сортамент та якість сталей.
Тип уроку: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина.
2. Опитування по темі: ,,Виробництво сталі у конверторах.”
1) Характеристика сталеплавильних шлаків.
2) Основні реакції сталеплавильного процесу.
3) Гази та неметалеві включення в сталі.
4) Розкислення сталі.
3. Викладання нової теми .
План.
1) Переробка високо фосфористих чавунів.
2) Особливості донної продувки.
3) Особливості комбінованої продувки.
4) Сортамент та якість сталей.
4. Закріплення нового матеріалу:
1) Що необхідно зробити, щоб переробити високо фосфористий чавун, що ми цим досягаємо?
2) Де використовують високо фосфористі шлаки?
3) Як змінюється устаткування конвертора при переробці високо фосфористих чавунів?
4) В чому полягає особливість донної продувки?
5) Які ви знаєте переваги донної продувки?
6) Які вам відомі недоліки донної продувки?
7) В чому полягає особливість комбінованої продувки?
8) Які ви знаєте переваги комбінованої продувки?
9) Які вам відомі недоліки комбінованої продувки?
10) Який сортамент сталей виплавляють в ККЦ КДГМК?
5. Підсумки уроку.
Д/з Лінчевський стор. 132-14
1. Високофосфористий чавун містить 1,8-2,0% Р. Для того, щоб одержати сталь з допустимим вмістом фосфору, необхідно підвищити швидкість окислення його. Інакше буде вигорати вуглець і залізо, що знизить вихід гідного металу. Для цього крізь фурму разом з киснем подають порошкоподібне вапно. Це дає можливість прискорити процес дефосфорації і не прискорювати процес обезвуглецювання. Шлак скачують і наводять новий. Шлак з підвищеним вмістом Р2О5 (20-22%) використовують у якості добрива. Улаштування конвертора звичайне.
2. В 1956 р. в Москві під керівництвом Бардіна був розроблений засіб подачі О2 крізь денце в оболонці стриї газу СО2 . у 1960 р. – СО2 замінили на вуглецеве паливо, у 1967 р. – на кисневе паливо, а у 1970 р. - природній газ, нафту, мазут, соляр, порошкоподібне вапно, вуглеводні (бутан, пропан).
Переваги:
1) на 1,2-2 рази підвищується вихід рідкої сталі;
2) тривалість продувки 13-15 хв.;
3) знижуються витрати на підготовку брухту;
4) відсутність водоохолоджуємої фурми (25м), що дозволяє зменшити висоту головної будівлі.
Недоліки:
1) складне, дорого варте обладнання;
2) знижуються витрати брухту на 2-4%;
3) не можна регулювати окислювальність шлаку;
4) підвищується вміст СаО;
5) підвищений вміст Н2,що в димових газах підвищує можливість вибуху.
Процес проіснував 10 років і був замінений на процес комбінованого
дуття.
3. Комбінована продувка заснована на одночасному подаванні кисню крізь верхню водоохолоджуванну фурму і крізь денце О2у захисному середовищі вуглеводного палива або нейтральних газів(А2, N).
Переваги:
1) інтенсивне окислення домішок;
2) збільшений вихід гідного металу;
3) знижується тривалість продувки;
4) знижуються витрати чавуну та собівартість сталі.
Недоліки:
1) збільшується питома витрата енергоносіїв;
2) знижується стійкість футерівки;
3) підвищується вміст S в металі;
4) підвищується виділення запилених газів.
4. Процес виплавляння сталі в кисневому конверторі розробляють та впроваджують згідно технологічної інструкції.
В ККЦ виплавляють сталь наступного сортаменту:
· вуглецеві звичайної якості;
· киплячі сталі, в т.ч. зварювальні;
· спокійні;
· низьколеговані;
· напівспокійні.
Блок 2. Металургія сталі
Модуль 2.3. Виробництво сталі в мартенівських печах
Тема: ,,Виробництво сталі в мартенівських печах”
Мета: студенти повинні знати сутність мартенівського способу виробництва сталі, улаштування мартенівської печі, принцип її дії.
Тип уроку: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина – 2 хв
2. Контрольна робота по тестам ( II розділ. Металургія сталі) – 20 хв
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План.
1) Сутність мартенівського способу виробництва сталі.
2) Улаштування мартенівської печі.
3) Принцип дії мартенівської печі.
4. Закріплення нової теми – 10 хв
1) Що називається мартенівським процесом?
2) Як з’явився мартенівський засіб одержання сталі?
3) Розкажіть про верхнє улаштування мартенівської печі.
4) Розкажіть про нижнє улаштування мартенівської печі.
5) Які частини печі знаходяться поза піччю?
6) По якому принципу діє мартенівська піч?
5. Підсумки уроку – 3 хв
Д/З Лінчевський стор. 146-154.
1. Мартенівським процесом називається одержання рідкої сталі внаслідок окислювальної плавки шихти із стального брухту та чавуну на подині полум’яної відбивальної регенераторної печі.
В 1956 р. брати Сіменс винайшли генератор, в якому підігрівалося газове паливо та повітря. Використовуючи цей винахід Мартени в 1864 р. пустили в дію 1,5 т. полум’яну, що й назвали мартенівською, відбулося це в м. Сирейль. Перші печі були з кислою футерівкою, а в 1848 р. – основними.
2. а) До верхнього улаштування печі відносять:
1) робочий простір печі, що обмежено склепінням, черінню, передньою та задньою стінами, відкосами;
2) головки, крізь які подають паливо та повітря, і крізь які відводять продукти горіння;
3) вертикальні канали, що з’єднують верхню та нижню будівлі.
б) До нижнього улаштування печі відносять:
1. шлаковики, що уловлюють частинки пилу та шлаку з продуктів горіння;
2. регенератори, що нагрівають повітря та охолоджують відходячі гази ;
3. борова, крізь які підводять та відводять продукти горіння;
4. шиберні здвижки;
в) За мартенівськими печами знаходяться:
1. котли-утилізатори;
2. газоочистки
3. димова труба.
3. Роботу мартенівської печі регулюють при допомозі перекидних улаштувань (див. малюнок).
Блок 2. Металургія сталі
Модуль 2.3. Виробництво сталі в мартенівських печах
Тема: ,,Різновид мартенівського процесу”.
Мета уроку: студенти повинні знати різновид мартенівського процесу, особливості технології мартенівської плавки, кислого та
основних способів виплавки сталі, розкислення сталі. Принцип дії ДСПА.
Тип уроку: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина – 2 хв
2. Опитування по темі: ,,Виробництво сталі в мартенівських печах” - 15 хв
1) Сутність мартенівського способу виробництва сталі.
2) Улаштування мартенівської печі.
3) Принцип дії мартенівської печі.
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План.
1) Класифікація мартенівських процесів.
2) Основний мартенівський процес:
а) шихтові матеріали;
б) скрап-процес;
в) скрап-рудний процес.
3) Кислий мартенівський процес.
4) Двованні сталеплавильні агрегати.
4. Закріплення нового матеріалу – 15 хв
1) Як класифікують процеси по складу футерівки, поясніть?
2) Як класифікують процеси по складу шихти?
3) Що відносять до шихтових матеріалів мартенівської плавки?
4) Розкажіть про скрап-процес.
5) Дайте характеристику скрап-рудного процесу.
6) На вашу думку, який процес кращий?
7) Як ведуть кислий процес виплавки сталі?
8) Які вироби вам відомі з кислої сталі? Чому їх виготовляють саме з кислої сталі?
9) Розкажіть улаштування ДСПА та сутність його процесу?
10) Розкажіть технологічний процес ДСПА.
5. Підсумки уроку – 3 хв
Д/З Лінчевський стор. 155-167
1.По складу футерівки печі розподіляють на основні та кислі.
Основні печі-футерують магнезитовою та магнезитохромитовою цеглою.
Кислі печі-динасовою цеглою, кварцевим піском, кварцитом.
По складу шихти основний процес має декілька варіантів:
- скрап-процес з використанням навуглецювателів( графитові електроди, порошкоподібний вугіль),
- скрап-процес з використанням твердого чавуна та скрапу,
- скрап-рудний процес з використанням рідного чавуну, металевою брухту, залізної руди, вапняка.
- скрап-рудний процес на рідкому чавуні з використанням металевого брухту з продувкою ванни О2.
Кислі мартенівські печі працюють лише скрап-процесом.
2.а) Шихтові матеріали бувають металеві та неметалеві.
До металевих відносять: рідкий чавун, металевий брухт, розкислювачі, легуючі.
До неметалевих відносять : залізна руда, флюси( вапно, боксит, плавиновий шпат, окалина ).
б) скрап-процес використовують де немає доменного виробництва.
Процес плавки складається з :
1) заправка печі – 15-25 хв.
2) завалка ( 20% брухту, вапна, після прогріву 80% брухту) ,
3) плавлення ( подача о2) ,
4) доводка ( зкачують 50% шлаку; присаджують вапно, боксит; прогрівають, присаджують залізну руду) – 30-50 хв. По закінченню кипіння присаджують розкислювачі.
Випуск сталі і шлаку.
в) скрап-рудний процес :
1) заправка печі, 10-30 хв.
2) частина залізної руди та вапняка , після прогрівання загружають другу частину скрапу. 1,30-3 год., прогрів – 40 хв.
3) заливають чавун, 15-25 хв.
4) Плавлення, вспінювання шлаку, вихід його з печі , виходять і Si2, P2O5. (подача О2 з повітрям ) , 2-3 год.
5) Доводка : полірування, чисте кипіння. При поліруванні скачують шлак і наводять новий . 1-2 год.30 хв.
6) Розкислення, лігування
7) Випуск сталі і шлаку
Порівняння скрап-процесу і скрап-рудного процесу :
При скрап-процесі менший вихід гідного металу, більші витрати полива.
При скрап-рудному процесі більші витрати твердих окислювачів, вапняку.
3. При виплавці сталі в печах з кислою футерівкою не видаляється S та P , тому шихта повинна бути чистою. Чавун використовують виплавлений лише древесному вугіллі, з низько фосфористих руд та чистому по “ S ” коксу. Вапно та окалину використовують в невеликій кількості. Для формування шлаку використовують здрібнений кислий шлак попередньої плавки. Паливом служать мазут чи природний газ.
Ведення процесу :
1) заливка 20% чавуну
2) завалка металобрухту
3) заливка 80% чавуну
після розплавлення плавку ведуть двома способами кремневідновлювальним, чи активним.
а) Окислювальна здібність кислого шлаку нижча, ніж у основного. (чому?)
Швидкість окислення “С “ не велика і якщо не додавати вапно та шпат, то окислення зникне зовсім, що пояснює перенасиченість шлаку SiO2 (з подини) та те що він стає в’язким .
Але з підвищенням температури шлак розжижуэться, тому що Si починає відновлюватися, а окислювачами виступають C,Мn,Fe.
Відновлення Si визиває недостаток O2 в металі. Період відновлення Si називають періодом стабілізації, він триває 2-3 години. Поступово кількість Si підвищується, що зменшує окисленість ванни, в цей період триває само розкислення металу. Перевагою цього способу є відсутність неметалевих включень.
Відновлення Si триває до його вмісту 0,20- 0,30% а залишок додають при випуску. Перед випуском метал легують V,Cr, Ni, Mo...
б) В активному процесі період стабілізації відсутній, а швидкість окислювальних реакцій вища. Після розплавлення присаджують порціями залізну та марганцеву руду, що прискорює окислення “С” та розжирує шлак.(Інколи присаджують вапно, вапняк). При досягненні марочного вмісту Si ванну розкислюють FeSi, SiCa та легують.
В теперішній час кислу сталь виплавляють активним процесом. Кисла сталь містить дуже мало газів та НВ, що підвищує механічні властивості, особливо ударну в язкість та пластичність.
Виготовляють: ротори, парових турбін, артилерійні знаряддя, балони зверхвисокого тиску, підшипники падіння, колінчаті вали бистроводних двигунів.
4.ДСПА- садка 2 х 250т, 2 х 300т.
Сутність процесу: високі t досягаються продувкою О2 та використанням продуктів згорання однієї ванни для нагріву шихти в другій.
Піч має 2 ванни, розділенні перевалом, розташовані під однім сводом.
Тепло поставляється рідким чавуном, р- порціями окислення, окисленням СО до СО2 в робочому просторі.
Процес можливо вести без палива, регенератори відсутні, маються шлаковики. Своди печі вище ніж в мартенівській.
Технологічний процес синхронний. Тривалість плавки 3-4 год., випуск сталі через кожні 1,5-2 год. Розкисляють сталь в ковші.
Блок 2. Металургія сталі
Модуль 2.4. Виробництво сталі в електропечах
Тема: Виробництво сталі в електропечах.
Мета: студенти повинні знати улаштування електропечей, технологію процесу, якість сталі, її призначення, вміти пояснити доцільність електросталеплавильного виробництва.
Тип: комбінований.
Хід заняття
1. Організаційна частина – 2 хв
2. Опитування по темі: ,,Різновид мартенівського процесу.” – 15 хв
1) Класифікація мартенівських процесів.
2) Основний мартенівський процес:
а) шихтові матеріали;
б) скрап-процес;
в) скрап-рудний процес.
3) Кислий мартенівський процес.
4) Двованні сталеплавильні агрегати.
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План
1) Улаштування дугової сталеплавильної печі.
2) Сукупність процесу одержання сталі в електропечі.
3) Технологія виплавки електросталі:
а) плавка з окисленням;
б) плавка без окислення;
в) виплавка сталі в кислій дуговій печі;
г) переваги та недоліки кислого та основного процесів.
4 Закріплення нової теми – 15 хв
5. Підсумки заняття – 3 хв
Д/З Лінчевський стор. 168-195
1. Дугові електропечі складаються з корпуса, зводу, зводового кола, улаштування для кріплення і переміщення електродів, механізму нахилу печі, водоохолоджуємої апаратури, електричного обладнання.
Кожух печі виготовляють зі зварної сталі(10-30 мм) циліндричної форми. Футерують печі основними чи кислими вогнетривами, мають печі 1-2 завалочних вікна, стале випускний отвір.
Сводове коло служить для кріплення футерівки, виготовляють зварним з водяним охолодженням.
Робоче вікно (до 100т - одне) служить для обслуговування печі: огляд робочого простора, заправка печі, вилучення уламків електродів, добавка шлакоутворюючих та легуючих матеріалів. Основні елементи: водоохолоджуєма рама та засланка.
Стале випускний отвір обладнаний не знімальним жолобом для зливу метала в ківш.
Електродержателі служать для підвода струму до електродів та для кріплення їх на визначній вишині. Переміщення електродів виконується за допомогою електричного приводу. Електроди виготовляють вугільними чи графітовими.
Механізм нахилу служить для нахилу печі в сторону розливки на 45o , в сторону завалочного вікна на 15o (для скачування шлаку). Привід гідравлічний чи механічний.
Електрообладнання печі складається з масляного вимикача, силового трансформатора з дроселем, токопідводящих шин, гнучких кабелів, апаратура автоматичного регулювання електрорежиму та пульту управління з контрольно-вимірювальними приборами.
Футерівка печей повинна витримувати t=1700 oС, її перепади вплив розплавлених метала і шлаку. Основні печі футерують шамотом, магнезитом, магнезитохромитом, магнезитодоломитом.
Кислі печі футерують динасовою цеглою. Стійкість футерівки до 250 плавок.
2. Робота печі заснована на відкритті 1802 р. академіка В. В. Петрова.
При зведенні двох електродів, з’єднаних з джерелом живлення, а потім при їх розведенні на деяку відстань, між ними з’являється безперервний розряд – електрична дуга (котра випромінює тепло, світло,має t = 3500oC).
В печі струм від одного електрода до другого проходить крізь дугу і метал. Електроенергія в дуговій печі перетворюється в теплову та є джерелом тепла для протікання всіх процесів.
Тепло від струму складає 85%, а 15% - це тепло реакцій та теплота футерівки печі. Плавку ведуть швидко з регулюванням потужності струму, тому що Fe, W, Mo, V, Cr, Mn, Ni, Co при високих температурах випаровуються.
3. а) В основній дуговій печі сталь виплавляють двома засобами : з окисленням (присаджують руду або дають О2) та засобом переплавки (переплавляють ,,чисту” по S та P шихту).
Періоди плавки з окисленням:
· заправка печі;
· завалка шихти, заливання чавуну;
· плавлення шихти;
· 
дефосфорація;
· нагрів металу та кипіння; окислення;
· скачування первинного шлаку;
· 
навуглецювання (здрібленний кокс);
· розкислення металу ( присадж. кокс, СаСО3, Si, Al);
· десульфурація; відновлюв.
· доводка до заданого складу;
· випуск.
б) При виплавці без окислення відсутній період кипіння. В період плавлення дають СаО, СаСО3. Відновлення проходе швидше, легко, тому що FeO відсутній.
При плавці без окислення:
· підвищується продуктивність печі на 20-22%;
· знижується витрата електроенергії на 12-15%;
· знижується собівартість сталі.
в) Кислі печі використовують для виплавки тонкостінних стальних відливок.
Шихта повинна бути ,,чистою” по ,,S” та ,,P”. Кипіння менш інтенсивне, для цього ванну гарно нагрівають і обережно подають СаО.
г) Переваги кислого процесу перед основним:
· вартість вогнетривів менше в 2,5 рази;
· витрати електроенергії менше;
· кисла сталь має кращу рідко текучість;
· кислий шлак менше пропускає Н, N;
· кислий шлак більш в’язкий, що полегшує розлив із малих ковшів.
Недоліки:
· важче регулювати склад сталі;
· вище витрати FeMn;
· при виплавці легованих сталей більше витрачується феросплавів;
· при виплавці нержавіючої сталі з використанням О2 отримують більше шлаку та важче протікає відновлення Cr із шлаку.
Блок 3. Виробництво феросплавів
Модуль 3.1. Виробництво феросплавів
Тема: Сутність і засоби одержання феросплавів
Мета: розвинути уявлення у студентів про улаштування феросплавних печей, технологія виробництва феросіліція, феромарганцю, ферохрому, феротітану.
Тип уроку: комбінований
Хід заняття
1. Організаційна частина – 2 хв
2. Опитування по темі: «Пряме одержання заліза, опис та принцип дії установки» - 15 хв
1. Які процеси називають процесами прямого відновлення заліза?
2. Із чим зв'язане зростання виробництва залізного порошку і металізованих окаткив?
3. На які групи розділяють способи прямого одержання заліза залежно від фізичного стану одержуваного продукту?
4. У чому сутність одержання губчатого заліза і металізованих
окаткив у шахтах?
5. Які технологічні особливості одержання губчатого заліза в
тиглях?
3. Викладання нового матеріалу – 45 хв
План.
1. Поняття феросплавів, їх види
2. Виробництво феросіліція
3. Виробництво феромарганцю
4. Виробництво ферохрому
5. Виробництво феротітану
4. Закріплення нової теми – 15 хв
1. Що називається феросплавом?
2. Види феросплавів
3. Дайте характеристику виробництва феросіліцію
4. Дайте характеристику виробництва феромарганцю
5. Дайте характеристику виробництва ферохрому
6. Дайте характеристику виробництва феротітану
5. Підсумки заняття – 3 хв
Д/з Лінчевський ”Металургія чорних металів” с. 229-242
1. Феросплави - це сплави заліза з марганцем, кремнієм, хромом, ванадієм, вольфрамом, молібденом і іншими елементами. Феросплави застосовують для легування і розкислення стали. Доцільність легування стали феросплавами, а не чистими металами підрозумівається тим, що зменшується вигар легуючого компонента, полегшується його введення в сталь внаслідок більш низької температури плавлення. Вартість легуючого компонента у феросплавах через більш простій і дешевої технологічної схеми одержання значно нижче, ніж технічно чистих металів.
Відновлення кремнієм і алюмінієм зветься металотермічним способом. Цим способом одержують ферованадій, феррмолібден, феровольфрам, ферртитан та ін. Феросплави, отримані металотермічним способом, мають низький (<0,03 %) вмісту вуглецю. Феросплави одержують в спеціальних дугових електропечах.
Печі для виплавки феросплавів діляться на відкриті, закриті і герметичні. Печі можуть бути круглими або прямокутними.
2. Феросиліцій використають для розкислення сталі, легування електротехнічних, конструкційних, окалиностійких сталей, готування термітних сумішей, виробництва феросплавів. Феросиліцій займає по обсягу перше місце серед виплавлюваних феросплавів. Промисловість випускає феросиліцій різних марок, що містять від 18 до 90 % Si Найпоширенішими є ФС45 і ФС65, що містять 45 %, і 65 % Si відповідно.
Шихтові матеріали Кремній одержують із кварцитів, у яких утримується не менш 95 % SiО2. Шкідливою домішкою в них уважається глинозем. Наявність його вимагає збільшення кількості шлаків і підвищення витрати електроенергії. Перед плавкою кварцит дроблять до шматків розміром 25-80 мм і відмивають від глини.
У якості відновника використають коксик у шматках 10-25 мм. Для одержання потрібної концентрації кремнію і забезпечення умов для його відновлення в шихту вводять стружку вуглецевих сталей. Стружка не повинна містити легуючих елементів. Чавунна стружка непридатна внаслідок підвищеного змісту фосфору.
Технологія плавкі. Феросиліцій виплавляють у закритих і відкритих печах з вугільною футеровкою потужністю до 33 МВт-А. Плавку ведуть безупинно. Електроди глибоко занурені в шихту. При завантаженні в піч перемішаних матеріалів навколо електродів підтримують конуси шихти, які затрудняють вихід газів і зменшують внаслідок цього втрати тепла і кремнію. У присутності відновника при високій температурі відбувається відновлення кремнію твердим вуглецем: SiО2+2С = Si+2СО. При надлишку відновника утвориться і карбід кремнію: SiО2+3С=SiС+2СО. Карбід кремнію досить тугоплавок (ТПл>2700°С). Він скаплюєтся внизу печі і знижує її продуктивність. У присутності заліза карбід кремнію руйнується. Залізо поліпшує умови відновлення кремнію (відновлення при більше низьких температурах). Незважаючи на застосування коксика для відновлення і вугільну футеровку печі, у готових сплавах кремнію із залізом вуглецю втримується не більше 0,1 %. Готовий сплав випускають із печі 12 - 15 разів у добу. При нормальному стані льотку відкривають ломиком. Спочатку сплав виходить тонким струменем, а потім розмиває отвір і випливає в ківш, футерований шамотною цеглою, звідки сплав розливають на разливочній машині конвеєрного типу. Ківш встановлюють на стенді, нахиляють за допомогою гідроприводу і через проміжну ринву ллють метал на горизонтальну машину. Відливають злитки масою до 15 кг. По закінченні випуску льотку закривають конусом з електродної маси.
Виплавка феросиліція - енергоємний процес.
3. Марганець використають для розкислення і легування багатьох сталей. При підвищених вмістах марганцю в сталі вона здобуває високу ізносостійкість, добрий опір стиранню. Ця сталь застосовується для виготовлення деталей землерийних машин, грат, дробильного і помольного устаткування, залізничних стрілок і т.д.
Феромарганець марки ФМн78 містить 78 - 82 % Мп; 7,0 % С; 2,0 % Si; 0,35 % Р та 0,03 % S.
Шихтові матеріали Марганцевий агломерат одержують із марганцевого концентрату, для виробництва якого в основному використовують оксидні руди Нікопольського і Чиатурского родовищ. До складу цих руд входить піролюзит МпО2; вміст марганцю в рудах 23 — 28%, в агломераті —49 %.
Коксик є відновником. Також використають вапняк або доломіт і добавки залізорудного агломерату або залізної стружки.
Виплавку феромарганцю роблять в електропечах відкритого і закритого типу потужністю до 63 МВт-А
Технологія плавки Вуглецевий феромарганець плавлять безперервним процесом, завантажуючи в піч шихту в міру її проплавлення. Колоша шихти складається з 300 кг марганцевої руди, 50 кг коксика і 15 - 20 кг залізної стружки. Про нормальний хід процесу свідчать конуси шихти висотою 300-400 мм біля електродів, глибоке розташування електродів у шихті, схід шихти з укосів печі. Шихтові матеріали попадають у зону високих температур підготовленими і підігрітими.
Сплав і шлаки випускають одночасно п'ять-шість разів у зміну через усі льотки по черзі. Шлаки утворюються з порожньої породи руди, вапняку, золи коксу, оксидів марганцю. При виплавці 1 т сплаву виходит близько 1 т шлаків. Із прямокутної печі Нікопольського заводу феросплавів випуск сплаву і шлаків роблять із трьох льоток по черзі. Шлаки і сплав випускають одночасно. На одному візку встановлюють ківш для сплаву і чашу для шлаків. Ківш футерований шамотною цеглою. Струмінь сплаву і шлаків спочатку попадає в ківш, шлак переливається через його край у чашу, а сплав накопичується в ковші. По закінченню випуску льотку зашпаровують конусом з вогнетривкої глини і електродної маси. Розливання феромарганцю роблять на конвеєрній машині із чавунними виливницями. Відливають злитки товщиною близько 85 мм.
4. Із всіх легуючих елементів найбільше застосування знаходить хром, що підвищує твердість, міцність сталі. Високохромисті сталі стійкі проти окислювання і корозії, мають підвищений опір зношування і стиранню. Найбільш широко хром застосовується в сполученні з нікелем. Це корозіоностійкі стали, що містять 18 % Сrй 8—10 % Ni. Жароміцні сталі і сплави з високим вмістом хрому набули застосування для виготовлення деталей газових турбін і реактивних двигунів.
Сортамент ферохрома дуже різноманітний. Існує, 17 марок ферохрома і 5 марок металевого хрому. Сплави відрізняються в основному по вмісту вуглецю, що змінюється від 0,01 % до 8,0%. Чим нижче вміст вуглецю, тим складніше технологія його одержання і дорожче сплав. Низько- і средньовуглецевий ферохром застосовують для виробництва корозійоностійких сталей і різних сплавів.
Плавку високовуглецевого ферохрома ведуть безупинно. Шихта в змішаному виді надходить у піч із бункерів по рукавах і рухливих лотках і розподіляється рівномірно по колошнику без утворення конусів в електродів. У міру осідання роблять подгрузку шихти. По всій поверхні колошника виділяються язики полум'я. Сплав і шлаки випускають у ківш через одну льотку одночасно, три - чотири рази в зміну. З ковша шлаки переливають через носик у шлаковню, а сплав розливають через отвір у донній частини ковша в плоскі збірні чавунні виливниці для одержання злитків товщиною ^200 мм, щоб полегшити наступну їх розбивку. Для одержання 1 т високовуглецевого ферохрома затрачується: 2000 кг руди, 300-400 кг коксика, 50 кг кварциту, витрата електроенергії становить 3200 кВт-ч.
5. Феротитан використають для розкислення і легування стали. Шихтовими матеріалами служать здрібнений концентрат, що містить 50—60 % ТіО2 й 40—50% (FеО+Fе2О3), у якості відновника застосовують алюміній у вигляді порошку із зернами <2 мм, залізну руду, дрібне вапно. Плавку ведуть у чавунній рознімній шахті. Шахту встановлюють на піддон-візок. На дно засипають і утрамбовують шар магнезитового порошку. Усередину вставляють циліндр із дахового заліза. Зазор між циліндром і шахтою засинають магнезитовим порошком. Візок закочують у запальну камеру, з вентиляцією. Близько 200 кг шихти з бункера засипають у шахту через лоток. Запалюють шихту запальною сумішшю, що складається з магнієвої стружки і селітри. Суміш поміщають у лунку в центрі засипаного шару шихти і запалюють за допомогою електричної іскри. Від тепла запальної суміші, що згорає, починається екзотермічний процес відновлення спочатку прилеглої шихти, а від її запалюється шихта і по всій шахті. З бункера в шахту рівномірно підсипають іншу шихту. Плавлення 4 т шихти триває 12-15 хв.
Під час плавки відбуваються реакції: ТіО2+4/зА1=ЗТі+2/3А12О3—195,5 кДж; Fе2О3+2А1=2Fе+А12О3—846,4 кДж. Що виділяється при відновленні оксидів титана і заліза теплота, а також підігрів шихти до 200 °С забезпечують необхідну температуру для утворення рідких шлаків. Корольки відновленого металу мають можливість пройти крізь шар шлаків і зібратися в блок на дні шахти. Тугоплавкі шлаки містить 70 % А12О3. По закінченню плавки на поверхню шлаків дають термітну осадительну суміш із залізної руди, алюмінієвого порошку, феросиліція і вапна. Додаткове тепло від взаємодії оксидів руди і відновників розріджує шлаки. Запутавшись в шлаку корольки феротитана одержують додаткову можливість осісти на дно, приєднатися до блоку металу.
Після затвердіння блок шлаків знімають, а блок металу охолоджують у баці з водою, дроблять на шматки. Для одержання 1 т феротитана ФТі20 з 20 % Ті затрачається 880 кг концентрату, 190 кг залізної руди, 400 кг алюмінієвого порошку, 100 кг вапна і 25 кг 75%-ного феросиліція. Добування титана становить 70-80%.