Виды и методы производства сталей

Схема вакуумной  индукционной печи полунепрерывного действия.

    Технология  выплавки металла в вакуумной  индукционной печи полунепрерывного действия определяется маркой выплавляемой стали и качеством шихтовых материалов. Для плавки применяют шихтовые материалы, очищенные от масла и влаги. Для легирования используют ферросплавы и чистые металлы. Перед загрузкой шихту предварительно прокаливают. После загрузки печи включают ток и расплавление шихты ведут на максимальной мощности. При появлении первых порций жидкого металла и при наличии в шихте углерода в печь напускают аргон до давления 1,3 • 10⁴ Па для предотвращения выплесков жидкого металла в следствие бурного протекания реакции [C] + [O] = CO_газ. После полного расплавления шихты металл рафинируют  при давлении 1,3 – 0,13 Па от водорода, азота, кислорода и примесей цветных металлов. Раскисление стали происходит в основном по реакции [C] + [O] = CO_газ, равновесие которой при низких давлениях сдвигается вправо. В период рафинировки осуществляют также легирование металла. В первую очередь присаживают хром и ванадий, потом титан. Перед разливкой в металл вводят алюминий, редкоземельные металлы, кальций и магний. Для получения плотного слитка разливку проводят обычно в атмосфере аргона.

   Основным недостатком вакуумных индукционных печей является контакт жидкого металла с огнеупорной футеровки тигля, что может приводить к загрязнению

13

 

металла материалом тигля.

   Производство стали в вакуумных дуговых печах.

   Вакуумные  дуговые печи (ВДП) подразделяют на печи с нерасходуемым и расходуемым электродом.

   Нерасходуемый электрод изготавливают из вольфрама или графита. При плавке с нерасходуемым электродом измельченная шихта загружается в водоохлаждаемый медный тигель и под действием электрической дуги расплавляется, рафинируется от вредных примесей и затем кристаллизуется в виде слитка.

   Эти печи промышленного применения не нашли, так как в них не возможно получать слитки большой массы. В настоящее время распространение получили вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом.

Схема вакуумной  дуговой печи                    

1–источник  питания; 2–рабочая камера; 3–электродержатель; 4–механизм подачи

электрода; 5–к вакуумным насосам; 6–электрод; 7–жидкий  металл; 8–слиток;

9–кристаллизатор; 10–шток для подъема поддона;  11–поддон.

   Здесь представлена схема ВДП с расходуемым электродом. Печь состоит из рабочей камеры, медного водоохлаждаемого кристаллизатора, электрододержа­теля, механизма подачи электродов и системы вакуумных насосов.

 Расходуемый электрод крепится к электродержателю, который через вакуумное уплотнение проходит сквозь верхний торец рабочей камеры. Электродержатель служит для провода тока к электроду и фиксации его в камере печи. Электродежатель с помощью гибкой подвески связан с механизмом подачи электрода. Расходуемый электрод представляет собой подлежащий пере­плаву исходный металл. Он может быть круглого или квадратного сечения. Как правило, расходуемые электроды содержат все необходимые легирующие эле­менты.

14

 

Диаметр электрода выбирается таким, чтобы зазор между электродом и стенкою кристаллизатора был больше длины дуги, горящей между электродом и ванной жидкого металла. В противном случае возможен переброс электрической дуги на стенку кристаллизатора. 

   Кристаллизатор представляет собой медную водоохлаждаемую трубку со стен­кой толщиной от 8 до 30 мм. Кристаллизаторы бывают двух типов: глухие и сквозные.

   При плавки металла в сквозном кристаллизаторе можно вытягивать слиток вниз по ходу плавки. Сквозные кристаллизаторы применяют при плавке тугоплавких металлов и сплавов. При плавке стали используют глуходонные кри­сталлизаторы. Сверху кристаллизатор имеет фланец. Через кристаллизатор к слитку подводится ток. Вакуумные дуговые печи работают как на постоянном, так и на переменном токе.

   При переплаве стальных электродов применяют постоянный ток. «Плюс» подается на электрод, «минус» – на слиток. После установки расходуемого электрода в камере печи и откачки ее до необходимого давления (около 10^-2 Па) зажигают электрическую дугу между электродом и металлической затравкой, лежащей на дне кристаллизатора.

   Под действием тепла электрической дуги нижний торец электрода оплавляется  и капли металла стекают в кристаллизатор, образуя жидкую металлическую ванну. По мере оплав­ления электрод с помощью механизма подается вниз для поддержания расстояния между электродом и металлом. Рафинирование металла от вредных примесей происходит во время прохождения жидких капель металла через электрическую дугу и с поверхности расплава в кристаллизаторе.

   Одним из преимуществ вакуумного дугового переплава является отсутствие контакта жидкого металла с керамическими материалами. Основной недостаток – ограниченное время пребывания металла в жидком состоянии, что существенно снижает рафинирующие возможности вакуума.

   Плазменно-дуговая плавка.

   Плазменная  плавка специальных сталей и  сплавов является одним из важных способов получения металла высокого качества. В плазменных печах источником энергии является низкотемпературная плазма (Т = 10⁵ К). Плазмой называется ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. Степень ионизации низкотемпературной плазмы близка к 1 %.

15

 

   Низкотемпературная плазма получается при введении в дуговой электрический раз­ряд газообразного вещества. В этом случае газ ионизируется и образуется плазма. В металлургии в качестве плазмообразующего газа чаще всего применяют аргон.

   Для плавки стали применяют два типа агрегатов: печи с огнеупорной футеровкой и медным водоохлаждаемым кристаллизатором.

   Плазменные печи с огнеупорной футеровкой во многом похожи на дуговые сталеплавильные печи. В отличие от дуговых сталеплавильных печей в плазменной печи вместо графитовых электродов устанавливают один или три плазматрона, что зависит от размеров печи. В печах постоянного тока анодом служит ванна жидкого металла, ток к которой подводится через подовой электрод.

   Металлургические возможности плазменных печей с нейтральной атмосферой очень широки и металл можно раскислять, десульфурировать, рафинировать от газов и неметаллических включений, легировать азотом.

   Слитки полученные этим способом, имеют высококачественную поверхность.

 

2. Олово, свинец, цинк и их сплавы.

ОЛОВО

   ОЛОВО (символ Sn), переходный элемент IV группы периодической таблицы, известный с древнейших времен. Основная руда – КАССИТЕРИТ. Мягкое, пластичное, устойчивое к коррозии, олово используется в качестве защитного покрытия для железа, стали, меди и других металлов, а также в таких сплавах, как припой, ПЬЮТЕР (сплав олова со свинцом), бронза и гарт (типографский сплав). Образует два вида солей – олово (II), или станнаты, и олово (IV), или станниты. Соединения олова используются как фунгициды, в стеклянных покрытиях (эмалях), в зубных пломбах (фторид олова (IV)) и зубной пасте. Существуют три аллотропных формы: основная форма – блестящий металл (белое олово) – при температуре ниже 13,2 °С постепенно превращается в порошок (серое олово), а при температуре выше 161 °С становится хрупким и ломким. Человек использовал олово еще в бронзовом веке. До XX в. Основным мировым источником олова были оловянные шахты Корнуолла (Англия).

   Свойства: атомный номер 50; атомная масса 118,69; плотность 7,228 г/см³

16

температура плавления 232 °С; температура кипения 2270 °С. Самый распространенный изотоп 118Sn (24,03%).

  

   Касситерит  — единственный промышленный  источник олова. Для его извлечения  руда размалывается (1) и пропускается  через флотационную установку  (2). Промытую руду прокаливают  в насыщенной кислородом атмосфере  (3), чтобы удалить мышьяк и серу. Примеси вольфрама удаляются  электролитической сепарацией (4). Затем оксид олова прокаливают в доменной пени (5) с коксом (6). Полученное олово очищают в отражательной печи (7). Шлак, полученный в доменной печи, обрабатывается повторно, и полученное олово также очищают в отражательной печи. Затем идет дальнейшее очищение, чтобы избавиться от остатков примесей (8). После этого олово прессуют и прокатывают (9). Чистым оловом покрывают сталь, чтобы предотвратить коррозию. Олово накладывается споем толщиной около 6X10»6 мм. Луженая сталь широко используется для изготовления консервных банок, поскольку она не ядовита. Что касается сплавов, то олово входит в состав латуни (где важна низкая температура плавления), а также бронзы и многих других сплавов, некоторые из которые используются в производстве подшипников. Из-за низкой температуры плавления и устойчивости к атмосферной коррозии олово используется в современном производстве стекла. Расплавленное стекло разливают по поверхности расплавленного олова в термостатической ванне и позволяют остыть. Полученное стекло настолько гладкое, что не нуждается в полировке или шлифовке.

17

   СВИНЕЦ  

   Pb (plumbum), металлический химический элемент IV группы периодической системы элементов, член семейства C, Si, Ge, Sn, Uup. Известен с древних времен.    

   Наиболее  важное применение находит в  производстве свинцовых электрических  аккумуляторов, в припоях и  для производства тетраэтилсвинца  – антидетонационной присадки к бензину. Свинец широко распространен в природе, но редко встречается в самородном состоянии. Важнейшим минералом свинца является галенит (свинцовый блеск) PbS; к другим рудам, также имеющим промышленное значение, относятся англезит PbSO₄ и церуссит PbCO₃. Отложения свинцовых руд обычно встречаются вместе с рудами других металлов – сурьмы, мышьяка, висмута, меди, серебра и цинка. Ведущим производителем свинца в мире является Австралия, к другим крупным производителям относятся США, Россия, Китай, Канада, Перу, Мексика, ЮАР и Швеция.

   Атомный номер 82 Атомная масса 207,2. Температура плавления, 327,50° С,  температура кипения, 1 750° С, плотность, 11,34 г/см³, твердость (по Моосу) 1,5 Содержание в земной коре, 0,0016 % (масс.).

   Свойства. Чистый свинец – серебристо-белый, но на воздухе быстро покрывается синевато-серым налетом. Это мягкий, плотный, легкоплавкий металл, он пластичен выше 300° C, что используют для изготовления оболочек кабелей, выдавливания проволоки и трубок, а также в запорных устройствах водопроводных сетей. Свинец иногда формуют, но из-за низкой прочности на разрыв он плохо поддается ковке. На воздухе свинец образует компактную адгезионную пленку оксидов, защищающую его от дальнейшего окисления. Хотя Pb нерастворим в чистой воде при обычной температуре, он растворяется в воде, насыщенной кислородом. Поэтому свинец непригоден для трубопроводов с питьевой водой.

  Свинец хорошо растворим в разбавленной азотной кислоте: 3Pb + 8HNO₃ = 3Pb(NO₃)2 + 2NO + 4Н₂О. Хлороводородная (соляная) кислота слабо действует на свинец. Разбавленная серная кислота на свинец не действует, а горячая концентрированная реагирует энергично. В щелочной среде свинец является сильным восстановителем и хорошим восстановителем в кислых растворах. Все растворимые в воде соединения свинца ядовиты.

   ЦИНК

   Цинк — элемент побочной подгруппы второй группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева,                                  с атомным номером 30. Обозначается символом Zn (лат. Zincum).

18

   Простое вещество цинк  при нормальных условиях — хрупкий переходный металл голубовато-белого цвета (тускнеет на воздухе, покрываясь тонким слоем оксида цинка). Слово «цинк» впервые встречается в трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken». Это слово, вероятно, восходит к нем. Zinke, означающее «зубец» (кристаллиты металлического цинка похожи на иглы).

  Известно 66 минералов цинка, в частности цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит. Наиболее распространенный минерал — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид цинка ZnS, а разнообразные примеси придают этому веществу всевозможные цвета. Из-за трудности определения этого минерала его называют обманкой (др.-греч. Σφαλερός — обманчивый). Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO₂ · Н₂О. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

   Среднее содержание цинка в земной коре — 8,3·10^-3%, в основных изверженных породах его несколько больше (1,3·10-2%), чем в кислых (6·10^-3%).                            Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является сероводород, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы.

   Цинк в природе как самородный металл не встречается. Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO₂ расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк

19

получают  в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают  ликвацией (то есть отстаиванием жидкого  металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся  иногда более сложная и дорогая  очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать  кадмий.