Оценка пригодности материала для изготовления изделия

Технология производства сварной трубы предусматривает получение методом листовой прокатки листа (полосы) определённой ширины и толщины, которая сворачивается в трубу и сваривается встык тем или иным способом. Если нам удастся найти в справочной литературе информацию, что сталь ВСт3пс поставляется как горячекатаный прокат в виде листа, мы получим подтверждение правильности выбора данной марки для получения сварной трубы

Правильность выбора стали ВСт3пс для производства сварной трубы диаметром 400 мм для магистрального водопровода подтверждается информацией, которую можно найти в разд. 8.2.1.1 источника [9]:

… «Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, трубы и т.п.)» …(С. 142) ;

… «На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением» …(С. 145).

Об этом же свидетельствует информация из табл. 29 на С. 394 в [10]:

… «Таблица 29. Стали углеродистые общего назначения (по ГОСТ 380-71) »

Марка стали	Механические свойства			Химический состав, %			Назначение
	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	С	Mn	Si
Ст3пс	370–480	205–245	23	0,14–0,22	0,40–0,65	0,05–0,17	Листовой и сортовой прокат для стро-ительных конструкций, мостов, болты, крюки

 

Процессы получения (металлургические переделы) стали ВСт3пс

    и изготовления сварной трубы

Углеродистая сталь обыкновенного качества варится из передельного чугуна. Передельный чугун получают из железных руд в доменной печи. В связи с этим описание получения стали ВСт3пс следует начинать с исходных материалов для получения чугуна.

4.3.1. Получение передельного чугуна [11 - 13]

Исходные материалы для получения чугуна

В качестве исходных материалов для производства чугуна выбираем:

● железную руду магнитный железняк как источник железа, содержащий 55 … 60 % железа по массе; основным железосодержащим минералом в магнитном железняке является оксид железа Fe₃O₄, содержащий около 57 ат. % кислорода и обладающий ферромагнитными свойствами;

● известняк CaCO₃ в качестве флюса – вещества, которое облегчает выведение из руды пустой породы при плавке чугуна и очищение чугуна от вредных примесей – серы и фосфора;

● кокс в качестве топлива и одновременно реагента-востановителя железа из его оксида;

● природный газ СН₄ как топливо, являющийся дополнительным источником тепловой энергии в доменной печи;

● колошниковый газ как ещё один дополнительный источник тепла для подогрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, одновременно повышающий безотходность производства чугуна;

● дутьё – обогащенная кислородом (по сравнению с атмосферным воздухом) смесь азота и кислорода как окислитель всех видов топлива в доменной печи;

● огнеупоры – тугоплавкие оксиды некоторых металлов и графит, из которых изготовляют огнеупорный кирпич разной формы и размера и выкладывают внутренний слой доменной печи; при использовании известняка как флюса, дающего при плавке основной шлак с оксидом СаО, огнеупоры должны быть основными или нейтральными, например шамот (Al₂O3+SiO₂) и графит.

Подготовка железных руд к плавке чугуна

Железная руда в месторождении, как правило, представляет твёрдый массив в земной коре. Добыча руды предусматривает взрывные работы для отделения её от сплошного массива в виде кусков, размер которых варьируется от нескольких сантиметров до полуметра и более. Поэтому руду перед плавкой надо измельчать, дробить.

Руда имеет поликристаллическое микроскопическое строение и состоит из кристаллитов различных минеральных веществ – оксидов железа (железосодержащий минерал), а также соединений (оксидов, сульфидов, фосфатов, карбонатов) кремния, марганца, алюминия и других, которые являются пустой породой, ненужным балластом в руде. Пустую породу стараются отделить от железосодержащих минералов ещё до плавки, этот процесс называется обогащением. Поскольку средний размер кристаллитов минералов в руде, как правило, составляет 10 …100 мкм, эффективное обогащение возможно лишь после измельчения кусков руды до размеров кристаллитов. Это достигается размолом в порошок.

Для дробления и размола кусков руды на горно-обогатительных комбинатах используют специальное оборудование – дробилки и мельницы. Дробилки бывают конусные и щековые. Схема устройства щековой и конусной дробилок представлена на рис. 3.1.

                       а                                                           б

Рисунок 3.1 – Схемы устройства щековой (а) и конусной дробилок (б)

Мельницы бывают шаровые и стержневые.

Размолотую в порошок оксидную железную руду подвергают магнитной сепарации – отделению ферромагнитных оксидов железа от немагнитных частиц пустой породы в магнитном поле. На рис. 3.2 представлена схема устройства для магнитного обогащения.

Во вращающемся барабане размещается электромагнит 1. Частицы немагнитного материала, попав на поверхность барабана, не намагничиваются и падают с него в первой четверти оборота 2, а магнитные минералы намагничиваются, прижимаются к поверхности барабана и задерживаются на нём до выхода их из поля магнитного сердечника 3. Материал, упавший в промежутке 4, обычно подвергают переочистке.

 

 

 

Рисунок 3.2 – Простейший

барабанный сепаратор для

сухого магнитного обогаще-

ния

 

Обогащённыё концентрат представляет собой плотный порошок (пудру), который нельзя загружать в доменную печь, так как через него не могут проходить газы, и доменная печь может быть просто закупорена порошком концентрата. Чтобы избежать этого, порошок концентрата подвергают окускованию.

Широкое распространение получили два способа окускования – агломерация и окатывание. В результате получают либо агломерат (пористые куски спеченного оксида железа с известняком (флюсом), обладающие газопроницаемостью и достаточной механической прочностью), либо окатыши – твердые шарики размером около 10 мм, обладающие высокой твёрдостью и прочностью после спекания порошкообразного концентрата с флюсом.

При агломерации шихту (смесь), состоящую из концентрата (40 … 60 %), известняка (15 … 20 %), возврата мелкого агломерата (20 … 30 %), коксовой мелочи (4 … 6 %) и влаги (6 … 9 %), спекают на агломерационных машинах (рис. 3.3) при температуре 1300 … 1500 °С.

Суть процесса спекания заключается в оплавлении поверхностных слоёв частиц концентрата и известняка под действием теплоты сгорания коксовой мелочи, и их «скрепления» после затвердевания расплава. Сгоревшие кусочки кокса оставляют после себя пустоты, смыкающиеся в каналы, которые обеспечивают газопроницаемость агломерата. Схема процесса спекания проиллюстрирована на рис. 3.4 на разрезе ёмкости – полеты – с решётчатым дном колосники).

 

Рисунок 3.3 – Схема устройства агломерационной машины:

1 – загрузочное устройство (дозатор), 2 – транспортёр с закреплёнными

полетами, 3 – устройство поджига шихты (газовые горелки), 4 – полета.

 

 

Рис.3.4 – Схема процесса спекания:

1 – колосниковая решетка, 2 – пос-

тель, 3 – слой агломерируемой шихты,

4 – зона горения и спекания, 5 – слой агломерата.

 

 

На дно полеты укладывают слой возвращаемого агломерата, а затем агломерируемую шихту. После зажигания газовыми горелками начинается горение кокса. Воздух для горения просасывается через слой шихты с помощью вакуумных устройств (эксгаустеров). Зона горения постепенно перемещается вниз до постели (колосников). При температуре 1300 - 1500 °С происходит спекание шихты в пористый продукт – агломерат. После сортировки на грохоте куски крупностью 10 - 40 мм используют для плавки, менее 10 мм - направляют на переработку.

Устройство доменной печи

Чугун выплавляют в печах шахтного типа (рис. 3.5) – доменных печах, работающих по принципу противотока. Сущность процесса выплавки чугуна – восстановление оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода СО, водородом Н₂ и твердым углеродом С в виде кокса.

Доменная печь имеет стальной кожух толщиной до 40 мм, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом толщиной до 700 мм. Шамот получают из обожженной сырой глины - это нейтральный по химическим свойствам относительно дешевый огнеупор, содержащий 50 … 60% SiO₂, и 30 … 45% Аl₂О₃. Нижнюю часть горна выкладывают из особо огнеупорных материалов – графитизированных блоков (толщина стенок до 1500 мм).

Печь загружают шихтовыми материалами (офлюсованный агломерат и кокс) по мере необходимости, непрерывно подают кислородно-воздушное дутье, природный газ и удаляют доменные газы, периодически выпуская чугун в чугуновозные ковши и шлак в чугуновозные чаши.

Шихтовый материал загружают в колошник при помощи засыпного аппарата, шихту задают отдельными порциями по мере опускания проплавляемых материалов. Навстречу им снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива.

 

 

Рисунок 3.5 – Разрез (а) и профиль рабочего пространства доменной печи (б):

1 – чугунная лётка, 2 – горн, 3 – заплечики, 4 – распар, 5 – шахта, 6 – колошник, 7 – засыпной аппарат, 8 – горизонт образования чугуна, 9 – горизонт образования щлака, 10 – зона горения кокса, 11 – слой шлака, 12 – шлаковая лётка,

13 – расплавленный чугун

 

Для выплавки 1,0 т чугуна расходуется 1,8 т офлюсованного агломерата и 0,5 т кокса.

Доменный процесс

Горение топлива. В районе воздушных фурм происходит полное сгорание кокса С+О=СО₂+Q и природного газа СН₄+2О₂=СО₂+2H₂+Q. В фокусе горения температура 1800-2000°С. Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом СО₂+С_(кокс)=2СО-Q, Н₂О_(пар)+С_(кокс)=Н₂+СО-Q. Образуется смесь восстановительных газов (СО и Н₂), в которых СО – главный восстановитель железа из его оксидов, Q – выделяемое или поглощаемое тепло в процессе химических реакций, в калориях.

Восстановление железа. Восстановителями являются оксид углерода СО, твердый углерод и водород. Восстановление твердым углеродом – прямое, газами – косвенное.

Косвенное восстановление происходит за счет окиси углерода в шахте печи по следующим реакциям: 3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂; Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂; FeO+CO=Fe+CO₂. В зависимости от условий работы печи окисью углерода (СО) и водородом (Н₂) восстанавливается 60 … 80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом. Прямое восстановление происходит при температуре 950 … 1000 °С в зоне распара печи по реакции FеО+ С_тв=Fе + СО.

Образование металлического железа начинается при 400 - 500° С (в верхней части шахты печи) и заканчивается при 1300 - 1400° С (в распаре). В шахте печи наряду с восстановлением железа происходит его науглероживание по реакции 3Fе+2СО=Fе₃С+СО₂, и образуется сплав железа и цементитом – чугун – с более низкой температурой расплавления по сравнению с чистым железом. С повышением содержания углерода до1,8 … 2% температура плавления понижается до 1200 … 1150 °С. Стекая каплями в горн, расплав омывает куски раскаленного кокса и дополнительно науглероживается. При стекании чугуна в горн в нем растворяются восстановленные Мn и Si, образуя сложный железоуглеродистый сплав с 3,7 … 4% С. Его конечный состав устанавливается в горне и зависит от состава, свойств и количества шлака.

Значение шлака очень велико, его состав и свойства определяют конечный состав чугуна. В районе распара образуется первичный шлак, в основном из расплавленного флюса CaО. При стекании вниз и накоплении в горне шлак существенно изменяет состав: в нем растворяются SiO₂, Al₂O₃. При выплавке передельного чугуна состав шлака следующий: 40 … 50% СаО, 38 … 40% SiO₂, 7 … 10% Al₂O₃.

Продукты доменной плавки

Продуктами доменной плавки являются различные по назначению чугуны – передельный, литейный чугун, доменные ферросплавы, а также шлак и колошниковый газ. Краткие сведения о химическом составе перечисленных продуктов представлены в табл. 3.1.

Выплавка стали

Для переплава передельного чугуна марки, например, ПВК1 (табл. 3.1), в сталь ВСт3пс выбираем кислородно-конверторный процесс. Он осуществляется в кислородном конверторе с основной футеровкой.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: