Производство стали

1. Понятие о технологических процессах производства стали. Их классификация.

Под технологическим процессом понимают совокупность операций по добыче и переработке сырья в полуфабрикаты или готовую продукцию.

Технологический процесс может быть расчленен на определенное число типовых технологических звеньев или операций и представлен в виде технологической схемы.

Сталь – это сплав железа с углеродом, где содержание углерода от 0,01- 2%. Кроме углерода в ней могут содержаться примеси марганца, кремния, серы, фосфора и т.д. Сырьем для производства стали является чугун (жидкий и твердый), стальной и чугунный лом, железная руда, металлизированные окатыши, ферросплавы и т.д. Для получения стали необходимо из имеющегося сырья удалить излишки углерода и вредные примеси, что достигается окислением этих веществ; в дальнейшем необходимо удалить оксид железа, т.е. необходимо раскисление. В итоге всех этих процессов мы получим сталь. Т.о. этот технологический процесс может быть представлен в виде схемы:

Основные способы получения стали: конверторный, мартеновский, в электропечах.

Конверторный способ.

Выплавка стали производится в конверторе (рис. 1) , представляющем собой стальной сосуд грушевидной формы 1 вместимостью 100-350 т. Внутри конвертер выложен огнеупорным кирпичом 2. В верхней части находится горловина 3, сбоку – летка 4. Снаружи конвертер опоясан стальным кольцом с двумя цапфами, которые удерживают контейнер и позволяют поворачивать его вокруг горизонтальной оси. Перед началом процесса конвертер поворачивают в наклонное положение, загружают металлический лом и жидкий чугун. Затем возвращают в вертикальное положение, загружают известняк, подают кислород под давлением 1.0 – 1.4 МПа через водоохлаждаемую фурму. При воздействии кислорода в конвертере протекают следующие реакции: окисляется железо (2Fe+O2 =2FeO), образующийся оксид железа взаимодействует с примесями, окисляя их (C+FeO = CO + Fe, Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe, Mn + FeO = MnO + Fe). Все реакции текут одновременно. Также одновременно идет процесс окисления примесей чистым кислородом. Известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак: 2Р+5FеО+4СаО= (СаО)4Р205 +5Fе. Сера удаляется в шлак с момента продувки и в течение всей плавки: FеS+СаО = СаS+FеО. Но степень десульфурации расплава не превышает 40 % вследствие высокого содержания FеО в шлаке. Контроль плавки ведется по спектру пламени, выходящего из горловины конвертера.

По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному, продувку прекращают, поднимают фурму и, повернув конвертер в горизонтальное положение, выпускают сталь через летку, а затем через горловину сливают шлак.

при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали в качестве раскислителей сначала вводят ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.

В тех случаях, когда из стали не удален кислород, при ее разливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимодействует с углеродом. Образующийся оксид углерода интенсивно выделяется из кристаллизирующегося слитка. Поверхность металла как бы бурлит, поэтому такую сталь называют «кипящей». При получении кипящей стали, в качестве раскислителя вводят только ферромарганец.

Закончив раскисление, приступают к разливке стали по изложницам. Температура стали при разливке -1600 .1650 С.

Мартеновский способ.

Мартеновская печь (рис. 2) сложена из огнеупорного кирпича и стянута рядом стальных балок, образующих наружный каркас.

Внутри печи находится рабочее пространство 3, сверху оно ограничено сводом, снизу - подом. Под выложен в виде овальной чаши, в которой происходит процесс плавки. В передней стенке печи имеются загрузочные окна 4, через которые загружают шихтовые материалы и следят за ходом плавки. В задней стенке устраиваются отверстия для выпуска стали и шлака.

Рис. 2. Схема мартеновской печи

В торцах печи расположены головки 2, соединяющие плавильное пространство с регенераторами 1. Последние представляют камеры, выложенные огнеупорным кирпичом, и служат для подогрева воздуха и газообразного топлива.

На многих заводах работают двух ванные печи. Это наиболее производительные подовые сталеплавильные агрегаты.

В зависимости от состава шихты различают скрап-процесс и

скрап-рудный процессы плавки. При скрап-процессе в печь загружаются скрап (55 .75%) и чушковый чугун (25 .45%). При

скрап-рудном процессе в печь заливают жидкий чугун (55 .75 %),

добавляют руду (12 .20 %) и скрап. Наиболее распространен

скрап-рудный процесс плавки.

Процессы плавки в мартеновских печах делят на кислые и основные. Характерные особенности кислого процесса: печь футеруется кислым огнеупорным кирпичом (динасовый кирпич, кварцевый песок), используется шихта с малым содержанием серы и фосфора, удаление которых в кислых печах затруднено. При основном процессе плавки футеровка печи выполняется из магнезитового или доломитового кирпича, для удаления серы и фосфора в шихту вводят известняк.

Основной скрап-рудный процесс включает заправку пода и откосов, завалку и прогрев твердой шихты, заливку жидкого чугуна, плавление, кипение, раскисление, доводку и выпуск готовой стали.

Заправка пода и откосов заключается в засыпке доломитовым или магнезитовым порошком выбоин и ямок, разъеденных шлаком.

Завалка шихты производится завалочными машинами. Сначала загружают часть лома, а на него - известняк и железную руду. После прогрева загружают остальной лом и нагревают до температуры плавления чугуна. Заливка жидкого чугуна производится из ковша по специально установленному желобу.

В период загрузки и плавления шихты происходит окисление примесей за счет кислорода, содержащегося в печных газах и руде, а после образования шлака - содержащегося в оксиде железа, растворенном в шлаке. Окисление примесей (С, S, Мn, Р) идет по тем же реакциям, что и при конвертерном процессе.

Важным моментом плавки является период «кипения» - выделения образующегося оксида углерода в виде пузырьков. Металл перемешивается, выравниваются его температура и химический состав, удаляются газы, всплывают неметаллические включения.

По достижении требуемого содержания углерода в кипящем металле, что определяется путем быстрого анализа отбираемых проб, приступают к последней стадии плавки - доводке и раскислению металла. В печь вводят рассчитанную дозу ферромарганца и ферросилиция, в результате чего уменьшается содержание оксида железа в металле (металл раскисляется).

После раскисления берут контрольную пробу металла и шлака,

пробивают летку и по желобу выпускают сталь в ковши.

Производство стали в электропечах.

В настоящее время для выплавки стали применяют дуговые

и индукционные электрические печи, которые являются наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами. Основные преимущества способа получения стали в электрических печах - возможность создания высокой температуры в плавильном пространстве печи (более 2000 'С) и выплавки стали и сплавов любого состава; использование известкового шлака (до 50 .60 % СаО), способствующего хорошему очищению металла от вредных примесей - серы и фосфора; возможность ведения плавки при всех режимах и условиях производства. Создание восстановительной среды или вакуума в печи способствует хорошему раскислению и дегазации металла.

Наибольшее распространение в металлургической промышленности получили дуговые электрические печи.

При подаче тока дуга 1 возбуждается между электродами и металлической шихтой.

При плавке стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов.

При основных процессах в качестве флюса для ошлакования серы и фосфора применяют известь, раскислители - ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Для легирования

вводят феррохром, феррованадий и др.

Загрузка шихтовых материалов производится сверху. На под печи сначала загружают мелкий стальной скрап, затем более крупные куски шихты. По окончании загрузки опускают электроды до легкого соприкосновения с кусками металла, затем включают ток и начинают плавку. В течение первого периода плавки происходит расплавление твердой шихты и окисление примесей. Образовавшийся первичный фосфористый шлак удаляют из печи и загружают известь и руду. Через некоторое время начинается «кипение» металла (выгорает избыточный углерод, удаляются растворенные газы и неметаллические включения), затем берется проба стали и шлака. Первый период плавки заканчивается дефосфорацией металла. Однако в стали остаются еще кислород и сера. Во втором периоде плавки производятся раскисление, десульфурация и рафинирование стали. С этой целью наводят новый шлак, добавляя известь, плавиковый шпат и молотый кокс. После этого сталь раскисляют ферромарганцем и ферросилицием.

В конце второго периода при необходимости вводятся легирующие элементы. Окончательное раскисление стали производят алюминием. Печь наклоняют и готовую сталь выпускают через отверстие по желобу в ковш. Продолжительность плавки - 2 .4 ч в зависимости от вместимости печи и сорта выплавляемой стали.

Классификация технологических процессов:

1) По способам, лежащим в основе переработки:

a) Механические. Сюда относятся в основном процессы подготовки сырья для плавки стали: добыча и обработка руды, образование стружки, обрезков металла; а также в процессе плавки перемешивание металла с помощью образующегося СО;

b) Физические. Плавка чугуна и шихты, остывание и кристаллизация полученной стали;

c) Химические. Лежат в основе окисления С, Р, S.

Следует учитывать, что чаще протекают комбинации механических и физических, физических и химических и т.д. процессов.

2) По способу организации процессы делятся на:

a) Прерывные. Большинство процессов выплавки стали: загрузка, выплавка, выгрузка. Основной недостаток – простой оборудования, потери рабочего времени, большие затраты труда.

b) Непрерывные. Сюда можно отнести плавку в двухванновых мартеновских печах (см. далее);

c) Комбинированные – сочетание прерывающихся и непрерывных процессов.

3) По кратности обработки сырья:

a) Процессы с разомкнутой схемой. Сырье и материал подвергают однократной обработке. Это конверторный способ получения стали;

b) С замкнутой схемой. Широко используются во многих отраслях для многократного полного или частичного возвращения тепловых или материальных потоков в начальную стадию производства. Позволяют рационально расходовать энергию, сырье и материалы, получают продукт более высокого качества.

c) Комбинированные – сочетают черты предыдущих двух.

4) По уровню механизации и автоматизации:

a) С преимущественно ручным трудом;

b) Механизированные:

i) Частично механизированные – основные процессы выполняют механизмы, но некоторые выполняются вручную;

ii) Комплексно-механизированные – все выполняется при помощи механизмов

c) Автоматизированные – человек осуществляет только контроль

i) Частично автоматизированные – автоматизация только на отдельных узлах;

ii) Комплексно автоматизированные – на всех стадиях, но управляет процессом человек;

iii) Полностью автоматизированные. И процесс производства, и процесс управления осуществляют автоматы.

Большая часть технологических процессов по производству стали частично автоматизированные, но ведутся исследования по полной автоматизации производства.

2. Технико-экономические показатели данных технологических процессов, рыночные аспекты их применения и перспективы развития.

Для сравнения технологических процессов и определения наиболее выгодных необходимо использовать параметры, которые имеют место во всех сравниваемых процессах. Таким показателем экономической эффективности технологических процессов является себестоимость продукции, выраженная в денежной форме.

где П – годовая производительность конвертера, т. стали в год; Т –масса металла, шихты; 1440 – число минут в сутках; а –выход годных слитков; п –число рабочих суток в году; t – длительность плавки, мин.

где C – съем стали, Р—суточная производительность, S – площадь пода печи, м2.

Производительность электропечей определяется по формуле:

где П – годовая производительность конвертера, т. стали в год; Т –продолжительность плавки, ч.; а –выход годных слитков; п –число рабочих суток в году; в – масса металлической шихты на одну плавку.

Себестоимость электростали будет определяться расходом металлической шихты на 1 тонну годных слитков и стоимости передела. Она включает также расход энергии, электродов, огнеупоров, изложниц, зарплату персоналу.

Основные технико-экономические процессы представлены в таблице:

Табл. 1 Основные технико-экономические показатели способов производства стали.

В условиях рынка используют научно-технические достижения: увеличивается выпуск конкурентно-0способных изделий на основе наукоемких, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. Роль этих технологий является определяющим фактором в достижении максимальных прибылей.

Так, более высокие технико экономические показатели у кислородно-конвертерного способа выплавки стали. Это обусловленно рядом его преимуществ: большая производительность агрегата на единицу емкости и одного рабочего, ниже (на 54-10%) удельные капитальные затраты на строительство цеха той же производительности, меньше в 2-3 раза расход огнеупоров на единицу мощности агрегата. Экономическая эффективность обеспечивается за счет снижения ее себестоимости путем снижения расходов по переделу, доля которого в себестоимости составляет до10% (13-14% при мартеновской плавке; 25% -- при электроплавке).

В настоящее время наметилась устойчивая тенденция к сокращению мартеновского способа производства и переход на конверторный, как более экономически выгодный.

В то же время наметилось два экономически целесообразных пути совершенствования мартеновского производства. Так, как основным недостатком является большое количество расходуемого топлива и продолжительность процесса, то ускорению процессу способствует применение кислорода. Происходит интенсификация горения, усиливается окислительная способность печей, а следовательно, умсеньшается время плавки, снижается расход топлива. Увеличивается производительность.

Второй экономически выгодный путь – это переоборудование мартеновских печей в двухванные (рис. 4).

Перечисленные выше способы относятся к эволюционным путям совершенствования технологических процессов. Поскольку эволюция – это постоянное изменение, совершенствование технических средств труда без коренных изменений как самих средств, так и научных основ. Сюда также относятся механизация и автоматизация производства.

Кроме того, существует также революционный путь развития, когда преобразование производства происходит в результате изменение или замены рабочего хода (изменение технологического процесса). При этом часто приходится применять дорогостоящее оборудование, но при хорошей организации работы можно достичь снижение себестоимости продукции. К таким новым технологиям относится процесс прямого восстановления железа с помощью водорода.

В основе этого процесса лежит восстановление железа водородом или приролдным газом. Мелко раздробренный железный концентрат смешивают с водой и в виде пульпы подают по трубе с месторождения на металлический комбинат. Вода поступает в специальные отстойники, где очищается и поступает в водоворот. А из руды с помощью специальных добавок и обработке во вращающихся барабанах получают окатыши сферической формы. Которые поступают в шахтную печь. Там с помощью водородаоксиды железа восстанавливается до железа. Это позволяет получать высококачественную сталь, сократить технологический цикл (отсутствует доменное и коксохимическое производство), уменьшаается потребность в воде, практически отсутствуют вредные выбросы.

3. Показатели качества продукции данных технологических процессов и форма организации производства как современный уровень развития нашей цивилизации.

Проблема качества продукции является одной из основных в условиях включения России в мировую рыночную экономику. Под качеством продукции подразумевают совокупность свойств, обуславливающих пригодность удовлетворять потребности потребителя и общества.

Совершенствование производства различной продукции, расширение областей ее применения требует повышения ее качесва, а это в свою очередь стимулирует развитие новых технологических процессов.

Сталь – это сплав железа и углерода, но в ней есть и вредные примеси серы и фосфора, а также полезные примеси, улучшающие ее качества магний и кремний. Кроме того, при необходимости используют легирующие добавки, повышающие качество стали. Это хром, никиль, молибден, вольфрам, ванадий и др. Они придают особые свойства стали жаропрочность, кислотоупорность.

Стали могут быть:

1) Углеродистые

a) Низкоуглеродистые содержат до 0.3% углерода;

b) Среднеуглеродистые – от 0.3 до 0.6% углерода;

c) Высокоуглеродистые – более 0.6% углерода;

2) Легированные стали:

a) Низколегированные – до 2.5% легирующих добавок;

b) Среднелегированные – 2.5-10%

c) Высоколегированные – более 10%

По применению стали делятся на:

1) Конструкционные (низко- и среднеуглеродистые стали)

2) Инструментальные (высокоуглеродистые)

3) Стали и сплавы с особыми свойствами: жаропрочные, коррозийно-стойкие, магнитные и т.д.

Для повышения качества продукции необходимо применение более качественного сырья, более качественных технологий, а также более современных условий организации производства.

При конверторном способе производства, благодаря тому, что окисление фосфора и серы идет одновременно имеется возможность остановить процесс на заданном содержании углерода и получить довольно широкую гамму углеродистых сталей при низком содержании серы и фосфора.

Электроплавка позволяет получить высококачественные стали. Отличительной особенностью ее является активное раскисление шлака, что приводит к непрерывному переходу кислорода, растворенного в металле, в шлак. Поэтому нет необходимости раскислять с помощью алюминия, а, следовательно, нет загрязнений тугоплавкими солями алюминия стали. Однако способ требует большого количества энергии. Поэтому сейчас стали использоваться новые методики рафинирования, т.е. повышение качества стали. К таким методикам относятся: плазменный, электрошлаковый, вакуумно-дуговой, вакуумно-индукционный и др. процессы. Общей их особенностью является создание условий для рафинирования жидкой стали. Сталь, полученная этими методами, отличается высокой химической и структурной однородностью, низким содержанием вредных примесей . методы позволяют сократить продолжительность электроплавки на 10-30 минут и получить мартеновским и конверторным способами сталь электропечного ассортимента.

Также в условиях НТП основным направлением преобразования производства является электронизация – широкое обеспечение средствами вычислительной техники, что позволяет ускорить самые разнообразные процессы, сэкономить ресурсы, энергию, повысить качество продукции.

Уделяют также внимание комплексной автоматизации – созданию полностью автоматизированных цехов и заводов, промышленных роботов и манипуляторов.

Так, поворот конвертера, его подъем и опускание водоохлаждаемой кислородной фурмы, загрузка сыпучих добавок и др. производятся с пульта управления. Продолжительность и режим дутья, время отбора проб определяет счетно-вычислительная техника. Все это позволяет снизить время производства стали и снизить себестоимость продукции при неизменном или повышающемся качестве.

Библиографический список:

1. Анчишкин А.И. Наука-техника-экономика. – М.:Экономика, 1989.

2. Васильева И.Н. Экономические основы технологического развития: Учебное пособие для студентов ВУЗов. – М.: Банки и биржи, изд. Объединение «ЮНИТИ», 1995.

3. Дворин М.Д., Дмитриенко В.В., Крутикова Л.В. и др. Системы технологий отраслей народного хозяйства: Учебное пособие. Хабаровск: Изд-во ХПИ, 1991г.

4. Основы технологий важнейших отраслей промышленности./ Под ред. И.А. Сидорова: Учебник для экономических специальностей ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1971

5. Основы технологий важнейших отраслей промышленности часть 1-ая./ под ред. И.В. Ченцова:– Минск.: Высшая школа, 1989.

6. Технология металлов и конструкционные материалы /под ред. Б.А. Кузьмина – М.: Машиностроение, 1981.

Тестовые задания по основам отраслевых технологий

Выполнила студентка факультета «Бухгалтерский учет, анализ и аудит», 3 БУ(в) 1 группы Ершова Марина Игоревна

Проверил

Вариант 1

1. 2

2. 4

3. 2

4. 1

5. 3

6. 2

7. 2

8. 1

9. 3

10. 1

11. 3

12. 1

13. 1

14. 2

15. 3