Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


2.5.Производство стали
2.5.1.Общие сведения
Подобный материал:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   48

2.5.ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ





О большой ценности железа свидетельствует следующий факт. При раскопках Ниневии — столицы древней Ассирии — во дворце могущественного царя Саргона II, правившего в конце VIII в. до н.э., археологи обнаружили настоящий железный клад: в особой комнате хранилось около 200 т различных изделий из железа (шлемы, пилы, кузнечные орудия и др.) и необработанные крицы этого металла, которые запасливый царь, наверное, припрятал на черный день.

В 1820 г. англичане купили в России на Урале листовое железо для покрытия крыши здания государственного учреждения. За 150 лет крышу ни разу не ремонтировали и не красили. До сих пор крыша не имеет даже следов ржавчины.



2.5.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ



Очистить чугун от вредных примесей, удалить из него лишний углерод и одновременно ввести в металл легирующие добавки — задача сталеплавильного передела, который является вторым, после доменного, металлургическим переделом.

Сталью называется деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (менее 2,14 %) и другими примесями. Исключительно важная роль стали в развитии и создании материальной базы человечества объясняется тем, что она как конструкционный материал обладает таким комплексом физико-технических свойств, которые удовлетворяют экономическим требованиям и имеют очень широкую область применения. Общим термином “сталь” в настоящее время обозначают свыше 2000 материалов, предназначенных для различных целей. В общем потреблении металлов она составляет 93 %, а свое лидирующее положение и в будущем сохранит по следующим причинам:

для черной металлургии во всем мире имеется надежная база высококачественных сырых материалов на длительную перспективу;

сталь является надежным и хорошо зарекомендовавшим себя конструкционным материалом; ее поведение в качестве деталей конструкций можно предсказать заранее с большой точностью;

сталь является материалом с выдающимся отношением цены к возможности применения; ее производство требует по сравнению с другими металлами меньших расходов первичных энергоносителей;

сталь может быть утилизирована в виде вторичного сырья и вследствие круговорота материалов с длительностью цикла в десятки лет является экологически приемлемым и ресурсосберегающим материалом; в настоящее время примерно 40 % всей выплавляемой стали получают из скрапа;

внедрение технологических новшеств в производство стали приведет к дальнейшему повышению эффективности использования энергии и исходных материалов.

Доказательством уникальных качеств стали является ее место во всем спектре механических и термических свойств (цифры в скобках):


Плотность, г/см3
0,5 (1)
7,8–7,9(2)
22,5(3)

Предел прочности при растяжении, Н/мм2
10 (4)
440–2100 (2)
4800(5)

Вязкость разрушения, Дж/м2
0,2(6)
140–220(2)
350(7)

Коэффициент термического расширения, 10–6/К
0,5(8)
10–20(2)
250(9)

Теплопроводность, Вт/(м·К)
0,1(1)
15–60(2)
350(10)

Температура плавления, К
365(11)
1570–1800(2)
3925(12)

Обозначения: 1 — древесина; 2 — сталь; 3 — осмий; 4 — свинец; 5 — стекловолокно; 6 — цемент; 7 — никель; 8 — стекло; 9 — полиэтилен; 10 — медь; 11 — поливинилхлорид; 12 — графит


Особенно важное преимущество этого материала — возможность расширения диапазона свойств за счет изменения химического состава, термической обработки, придания определенной структуры, возможности изготовления изделий в жидком и пластическом состояниях и соединения сваркой.

Многообразие сталей в сортаменте современного металлургического производства поражает: нержавеющая, быстрорежущая, шарикоподшипниковая и пружинная, магнитная и немагнитная, жаропрочная, жаростойкая и хладостойкая — чтобы перечислить все марки сталей понадобилась бы не одна страница! В 80-е гг. ХХ в. на одном из бельгийских заводов был введен в действие стан для прокатки стальной полосы с нанесением на ее поверхность различных узоров. Таким способом стальному листу можно придать вид дерева, кожи, ткани и других материалов. Лист с узорчатой поверхностью пришелся по вкусу автомобилестроителям, архитекторам, создателям бытовой техники.

Душевое потребление стали в мире сейчас составляет примерно 145 кг, а в развитых индустриальных странах оно достигает 500, 600 и даже 800 кг в год на человека. Эта величина уже давно является показателем индустриального развития государства.

Кроме стали к конструкционным материалам относятся алюминий, цемент, пластмасса, которые считаются альтернативными. Мировое производство первичного алюминия в 1990 г. составило 18,2 млн. т, что соответствует 2,4 % от массы выплавляемой стали и сохраняется на этом уровне. Промышленное производство пластмасс началось в 1930-е гг., очень быстро развивалось и к 1990 г. достигло 90 млн. т (почти 18 % от выплавки стали).

Цемент — единственный материал, объем производства которого превысил объем выплавки стали: к 1999 г. он составил 1500 млн. т (почти в два раза больше, чем стали).

Области применения и объемы производства конструкционных материалов, кроме инженерно-технических, зависят от экономических и экологических показателей.

При сравнении инженерно-технических свойств становится очевидным, что замена перечисленных материалов весьма затруднительна, а во многих случаях просто невозможна. Определяющим условием такой замены является не экономическая целесообразность, а решение каких-то функциональных для данного изделия задач. Кроме экономичности использования конструкционного материала важнейшими его характеристиками являются наличие и цена исходного сырья для его производства и энергоемкость этого производства. Ниже приведены данные по потреблению энергии для производства разных групп материалов, МДж/кг:


алюминий (полуфабрикат):



первичный алюминий (из бокситов)
160–240

вторичный алюминий (переплав лома)
12–20

пластмассы (гранулы, например, поливинилхлорид, полиэтилен)
45–70

сталь (заготовка):



кислородно-конвертерная (на базе руды)
16–27

электросталь (на базе скрапа)
10–18


В ХХ в. мировой объем производства стали вырос с 28,3 до 800 млн. т (в 28 раз), что по годам характеризуется следующими цифрами, млн. т:


1930 г.
110
1980 г.
716

1950 г.
152
1990 г.
769

1960 г.
346
1998 г.
776

1970 г.
603
1999 г.
787


Перечень и рейтинг крупнейших мировых производителей стали приведены в табл. 17.

Таблица 17

Страны — крупнейшие производители стали


Страны
1990 г.
1999 г.

млн. т.
рейтинг
млн. т.
рейтинг

КНР
66,3
4
123,3
1

США
89,7
2
96,1
2

Япония
110,3
1
94,2
3

Россия
89,6
3
51,5
4

Германия
44,0
6
42,1
5

Республика Корея
23,1
8
41,0
6

Украина
52,6
5
26,8
7

Бразилия
20,6
9
25,0
8–9

Италия
25,5
7
25,0
8–9

Индия
15,0
12
24,3
10

Франция
19,0
10
20,2
11

Великобритания
17,8
11
16,6
12


Основными способами переработки чугуна в сталь являются: конверторный, мартеновский и электросталеплавильный. Для структуры сталеплавильного производства последних десятилетий (табл. 18.) характерна полная замена мартеновского производства конвертерным и электросталеплавильным.