Редакция литературы по металлургии

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