Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
 Скачать 7.23 Mb.
|
|
УДК 669.18(075.8) Федеральная целевая программа ББК 34 327 «Культура России» (подпрограмма К 88 «Поддержка полиграфии и книгоиздания России» Рецензенты: заслуженный профессор МИСиС, д-р техн. наук Ю. В. Кряковский, заслуженный деятель науки и техники, лауреат Ленинской премии СССР А. Г. Шалимов Кудрин В. А. К88 Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с., ил. ISBN 5-03-003533-8 («Мир») ISBN 5-17-013411-8 («ACT») Дано систематическое описание теоретических основ традиционных и новых сталеплавильных технологий получения стали и принципиальных конструкционных различий сталеплавильных агрегатов. Рассмотрены термодинамические особенности основных реакций, протекающих в сталеплавильных агрегатах. Изложение основ технологий выплавки стали в конвертерах, мартеновских и двухванных печах, в электропечах и агрегатах непрерывного действия логически переходит в описание современных технологий получения стали высокого качества, включающих методы внепечной обработки металлов вакуумом, кислородом, инертными газами, синтетическими шлаками и т.д., а также ряда переплавных процессов — вакуумно-индукционного, вакуумно-дугового, электрошлакового, электроннолучевого, плазменно-дугового и т. д. В завершение технологической цепочки изложены основц существующих технологий разливки стали и проблемы, связанные с кристаллизацией стального слитка и качеством металла. Представлены основные сведения о сырых материалах (чугуне, металлоломе, продуктах прямого восстановления, новых видах металлошихты) и о методах их подготовки, а также основные сведения об огнеупорах, топливе, флюсах и окислителях. Значительное внимание уделено вопросам организации работы сталеплавильных цехов, охране труда, технике безопасности. Изложены проблемы создания безотходных, ресурсосберегающих технологий, технологий переработки отходов с целью защиты окружающей среды. Изложены правовые аспекты проблемы охраны природы. Материал раскрыт в объеме, соответствующем учебной программе вузов для подготовки специалистов в области технологии сталеплавильных процессов, ресурсосбережения, металлургических технологий переработки отходов и экологических проблем, связанных со сталеплавильным производством. Может быть полезен инженерно-техническим работникам сталеплавильного производства, а также для целей самообразования учащимся металлургических лицеев и колледжей. УДК 669.18(075.8) ББК 34.327 На форзаце — схема цехов череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь» Редакция литературы по металлургии ISBN 5-03-003533-8 («Мир») ISBN 5-17-013411-8 («ACT») © Издательство «Мир», 2003 ПРЕДИСЛОВИЕ Многолетний опыт преподавания специального курса металлургии стали позволил автору при написании данного учебника по дисциплине «Теория и технология производства стали» использовать выработанную наиболее рациональную структуру подачи материала и отразить итоги новейшей отечественной и иностранной литературы по тематике металлургии стали. Основой послужил учебник автора «Металлургия стали», который выдержал два издания (издательство «Металлургия», 1981, 1989 гг.), был переведен на испанский («Мир», 1984г.) и английский («Мир», 1985 и 1989 гг.) языки. Однако за прошедшие 10-15 лет технология и организация сталеплавильного производства в мире претерпели значительные изменения: практически прекращена выплавка мартеновской стали; появились новые, более совершенные методы непрерывной разливки при постепенном отказе от традиционных способов разливки стали в изложницы; резко повысились требования к качеству стали при соответствующих изменениях требований к качеству шихтовых материалов, к возможностям технологий получения и использования шихты без нежелательных примесей; изменились условия эксплуатации сталеплавильных агрегатов, что стало возможным благодаря успехам в области производства огнеупоров; внедрены методы искусственного охлаждения; разработаны новые конструкции электропечей и др. Постепенно сгладилась грань между спецификой труда специалистов, работающих в области конвертерного и элекросталеплавильного производств, — агрегаты этих технологий используются для получения полупродукта, окончательная доводка химического состава которого осуществляется в процессах вне-печной обработки. Совершенно по-новому рассматриваются и решаются проблемы экологии, охраны природы, ресурсосбережения. Изменилась, наконец, и сама страна, для молодых граждан которой — студентов и предназначен этот новый учебник. В нем широко использованы материалы, опубликованные в отечественных и зарубежных периодических изданиях последних лет, созданы новые разделы, сокращено излишне подробное описание некоторых вариантов технологий и конструкций. В учебник не включены примеры расчетов, необходимых при выполнении курсовых проектов, а также расчетов теплового и материального балансов. Автор вполне отдает себе отчет о трудности создания учебника, полностью отвечающего требованиям сегодняшнего дня. Многолетний опыт преподавания убедил его в том, что в учебниках важно освещать только основные, ключевые понятия, о которых у студента должны сложиться четкие представления и понятия и которые он должен усвоить. Не следует перегружать учебники излишней информацией, которая в де- талях быстро устаревает и часто меняется и, следовательно, быстро забывается. При изложении теоретических основ конвертерного, мартеновского, электрометаллургического и других процессов сделана попытка избежать повторения описания одних и тех же основных реакций, протекающих в этих сталеплавильных агрегатах. Общие вопросы теории основных технологических процессов рассмотрены один раз, в первых главах второй части учебника. Автор выражает благодарность всем коллегам, помогавшим ему в работе. Признателен Н.Н. Марченко за поступившее от нее 4 года назад предложение о подготовке учебника, а также коллективу издательства, и в частности редактору Л. А. Левченковой, за подготовку его к изданию. Наконец, автор заранее признателен читателям за внимание и с благодарностью примет все их замечания и пожелания. ВВЕДЕНИЕ 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 прошедшем в октябре 2000 г. в Московском Кремле Всероссийском съезде металлургов были отмечены определенные успехи отечественных сталеплавильщиков. Добрые словапрозвучали и в адрес нашей высшей школы, на выпускников которой страна возлагает большие надежды. Сегодня в металлургическом производстве страны работают тысячи высококвалифицированных специалистов. Эффективность их работы поддерживается должным уровнем теоретической подготовки и общего металлургического образования. 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. Тру-бин и Г. Н. Ойкс (Металлургиздат, 1951); «Физическая химия пирометал-лургических 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. Часть первая ОБЩИЕ ВОПРОСЫ 1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 1.1. ЖЕЛЕЗО И СТАЛЬ Наша цивилизация в том виде, в котором она сложилась, базируется на использовании железа как основного технического материала. Принято считать, что с железом человек впервые встретился, найдя метеорит. Косвенно об этом свидетельствуют названия железа, возникшие у древних народов: «небесное тело» (древнеегипетск.), «звезда, небесное тело» (древнегреч.), произошедшие от sidus, sideris (лат.) — звезда, звездный; sideros(греч.) — звезда; сидеролит — железный метеорит; siderurgie(фр.) — черная металлургия. Шумеры называли железо «небесной медью». У коренных жителей Гренландии находили ножи, сделанные из метеоритного железа. Первые письменные упоминания о железе, относящиеся к весьма отдаленным временам, встречаются в Библии, в поэмах Гомера. В Ветхом Завете (Бытие) упоминается потомок Каина Тувалкаим, который был «ковачом всех орудий из меди и железа». В Библии, 2-й книге Царств, при описании походов царя Давида упоминаются железные топоры, железные молотилки. В поэме «Дела и дни» одного из великих поэтов Древней Греции Ге-сиода (VIII—VII вв. до н. э.) есть миф о пяти веках, следовавших один за другим, согласно которому после золотого, серебряного, медного и бронзового веков наступает железный век и общую участь составляют печаль и забота, так как боги посылают людям вместе с металлами все новые бедствия. По преданию, богатые рудами Алтайские горы были колыбелью многих местных алтайских народов, которые с глубокой древности почитали мастеров кузнечного ремесла, причисляя их к верховным божествам. Воинственные кочевники из Средней Азии имели металлические доспехи и железное оружие. Своеобразная культура железа сложилась и в Китае, где, возможно, ранее, чем другие народы, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные древние отливки из чугуна, например 60-т колокол высотой 4 м и диаметром 3 м. Известны уникальные изделия металлургов Древней Индии. В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна массой 6 т, высотой 7,5 м и диаметром 40 см. Надпись на колонне гласит, что она сделана примерно в 380— 330 гг. до н. э. Она сооружена из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. Большее удивление, чем размеры колонны, вызывает тот факт, что на ней нет ржавчины. В захоронениях Древней Индии найдено оружие из железа, изготовленное в середине первого тысячелетия до н. э. Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В построенном зодчим Гермогеном около 200 г. до н. э. храме Артемиды барабаны мраморных колонн храма скреплены мощными железными дюбелями длиной 130 мм, шириной 90 мм и толщиной 15 мм. В исторической литературе эпоху железного века делят на два периода: ранний (X—vbb. до н.э.) железный век (так называемая гальштатская культура по названию города в Австрии, в окрестностях которого были найдены железные предметы того времени) и поздний, или второй, железный век (V—II вв. до н. э. — начало нашей эры), соответствующий периоду, от которого осталось много железных предметов (так называемая латенская культура —по месту в Швейцарии). Латенская культура связывается с кельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Большое переселение кельтов, начавшееся на рубеже vb. до н.э., способствовало распространению этого опыта на территории Западной Европы. От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое «ай-зен» (Eisen) и английское «айрон» (iron). Римляне дали железу название ferrum, отсюда фр./er—железо, меч, клинок, итал./m-o — железо. У алхимиков металлы носили названия планет: золото называлось Солнцем, серебро — Луной, медь — Венерой, олово — Юпитером, свинец — Сатурном, ртуть — Меркурием, а железо — Марсом. Химики обозначали (иногда обозначают и сейчас) железо знаком. 1.2. МАСШТАБЫ ПРОИЗВОДСТВА В мировой практике исторически сложилось деление металлов на черные (железо и сплавы на его основе) и все остальные — цветные, или нечерные (англ. — non-ferrousmetals, нем. — Nichteisenmetalle). В настоящее время на долю черных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродукции. Под словами «черная металлургия» обычно понимается производство чугуна и стали. Ежегодно в мире выплавляется 500—550 млн. т чугуна и 800— 850 млн. т стали1. Основная масса чугуна поступает в сталеплавильные цехи для передела в сталь; небольшая доля используется для производства чугунного литья. Некоторая доля выплавленной стали предназначается для производства стального литья, основная ее масса (более 95 %) после разливки на слитки или заготовки и обработки давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой) используется для нужд народного хозяйства. В промышленно развитых странах производство стали на душу населения составляет 300—500 кг/год. Из приведенных в табл. 1.1 данных следует, что около 85 % общего мирового производства стали приходится на 15 стран. Таблица 1.1. Производство стали в 2000 г.*
На производство чугуна и стали расходуется огромная масса шихтовых материалов. Надолго ли их хватит для удовлетворения потребностей населения нашей планеты? 1 Для сравнения: годовое производство алюминия в мире составляет 25—26 млн. т. По содержанию в литосфере (земной коре и прилегающей к ней исследованной зоне) железо занимает второе место после алюминия (примерно 4,65 мас.%), входя в состав всевозможных минералов (руд). Широкое получение сплавов железа в мире и изделий из них стало возможным лишь на определенном уровне развития техники — когда научились восстанавливать железо из руд. Вся история металлургии — это история непрерывного совершенствования технологии восстановления. Условно в историческом процессе непрерывного развития производства железа и стали можно выделить ряд этапов. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||