Автоматизация систем управления технологическими процессами. Классификация сталей и способы ее получения
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
. Автоматизация систем управления технологическими процессами
.1 Классификация систем управления. Их характеристики
.2 АСУТП с вычислительным комплексом в роли советчика
.3 Система автоматического регулирования. Фундаментальные принципы управления
. Классификация сталей и способы ее получения
.1 Классификация сталей
.2 Способы получения стали
.2.1 Производство стали в конверторах
.2.2 Производство стали в мартеновских печах
.2.3 Производство стали в электрических печах
.2.4 Новые методы производства и обработки стали
Заключение
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Основная цель контрольной работы состоит в том, чтобы углубить и закрепить знания по теоретическим вопросам, полученные при изучении дисциплины. Контрольная работа состоит из двух вопросов; содержание первого из них - автоматизация систем управления технологическими процессами - отражает знание теоретических основ дисциплины, а второго - классификация сталей и способы ее получения - практических основ.
1. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Сегодня технологические процессы постоянно усложняются, а агрегаты, реализующие их, делаются все более мощными. Например, в энергетике действуют энергоблоки мощностью 1000-1500 МВт, установки первичной переработки нефти пропускают до 6 млн. т. сырья в год, работают доменные печи объемом 3.5-5 тыс. кубометров, создаются гибкоперестраиваемые производственные системы в машиностроении.
Человек не может уследить за работой таких агрегатов и технологических комплексов и тогда на помощь ему приходит АСУ ТП. В АСУ ТП за работой технологического комплекса следят многочисленные датчики-приборы, изменяющие параметры технологического процесса (например, температуру и толщину прокатываемого металлического листа), контролирующие состояние оборудования (температуру подшипников турбины) или определяющие состав исходных материалов и готового продукта. Таких приборов в одной системе может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч.
Датчики постоянно выдают сигналы, меняющиеся в соответствии с измеряемым параметрам (аналоговые сигналы), в устройство связи с объектом (УСО) ЭВМ. В УСО сигналы преобразуются в цифровую форму и затем по определенной программе обрабатываются вычислительной машиной.
ЭВМ сравнивает полученную от датчиков информацию с заданными результатами работы агрегата и вырабатывает управляющие сигналы, которую через другую часть УСО поступают на регулирующие органы агрегата. Например, если датчики подали сигнал, что лист прокатного стана выходит толще, чем предписано, то ЭВМ вычислит, на какое расстояние нужно сдвинуть валки прокатного стана и подаст соответствующий сигнал на исполнительный механизм, который переместит валки на требуемое расстояние.
Системы, в которых управление ходом процесса осуществляется подобно сказанному выше без вмешательства человека, называются автоматическими. Однако, когда не известны точные законы управления человек вынужден брать управление (определение управляющих сигналов) на себя (такие системы называются автоматизированными). В этом случае ЭВМ представляет оператору всю необходимую информацию для управления технологическим процессом при помощи дисплеев, на которых данные могут высвечиваться в цифровом виде или в виде диаграмм, характеризующих ход процесса, могут быть представлены и технологические схемы объекта с указанием состояния его частей. ЭВМ может также "подсказать" оператору некоторые возможные решения.
Перспективные АСУ ТП имеют ряд характерных признаков. Прежде всего это автоматические системы, осуществляющие автоматическое управление рабочим режимом, а также пуском и остановом оборудования (режимами, на которые при ручном управлении приходится наибольшее число аварийных ситуаций из-за ошибок операторов).
В системах предусматривается оптимизация управления ходом процесса по выбранным критериям. Например, можно задать такие параметры процесса, при которых стоимость себестоимость продукции будет минимальной, или, при необходимости, настроить агрегат на максимум производительности, не считаясь с некоторым увеличением расхода сырья и энергоресурсов на единицу продукции.
Системы должны быть адаптивными, т.е. иметь возможность изменять ход процесса при изменении характеристик исходных материалов или состояния оборудования.
Одним из важнейших свойств АСУ ТП является обеспечение безаварийной работы сложного технологического комплекса. Для этого в АСУ ТП предусматривается возможность диагностирования технологического оборудования. На основе показаний датчиков система определяет текущее состояние агрегатов и тенденции к аварийным ситуациям и может дать команду на ведение облегченного режима работы или остановку вообще. При этом оператору представляют данные о характере и местоположении аварийных участков.
Таким образом, АСУ ТП обеспечивают лучшее использование ресурсов производства, повышение производительности труда, экономию сырья, материалов и энергоресурсов, исключение тяжелых аварийных ситуаций, увеличение межремонтных периодов работы оборудования.
.1 Классификация систем управления. Их характеристики
Выделяются шесть наиболее существенных признаков классификации АСУТП, а именно: по характеру управляемого процесса; по сложности управляемого процесса; по степени охвата управляемого процесса; по степени автоматизация задач управления; по функционально - алгоритмическому признаку; по архитектурному признаку.
По характеру управляемого ТП различают: АСУ основными непрерывными ТП; АСУ основными непрерывно-дискретными процессами; АСУ основными дискретными ТП; АСУ сборочными процессами в дискретном производстве; АСУ процессами изготовления оснастки к инструмента для основного производства.
АСУ сборочными процессами представляют высший уровень комплексных АСУТП и решают задачу координации в реальном времени ряда дискретных ТП или операций.
В последние годы АСУТП начали внедряться во многие процессы подготовки производства РЭА, например, в изготовление фотошаблонов для интегральных микросхем, теневых масок кинескопов и т.п.
Классификация по степени сложности управляемого ТП основывается на условных границах числа параметров контроля и управления процессом. Например, 20, 40, 100, 800 параметров. Несмотря на условность, такая классификация может служить основой для планирования разработок.
По степени охвата управляемого ТП выделяют комплексные и локальные АСУТП.
По степени автоматизации задач управления выделяют системы с автоматическим сбором и обработкой информации; системы с автоматической выработкой советов оператору; системы автоматического управления процессом, иначе: информационные, информационно - советующие, управляющие.
Классификация по функционально-алгоритмическому признаку определяет функции и степень совершенства алгоритма управления, реализуемого АСУТП.
Разделяют:
) системы логико-программного управления;
) системы экстремального управления;
) системы адаптивного управления;
) системы организационно-технологического управления.
) системы оптимально-координационного управления.
Классификация по архитектурному признаку:
одноуровневые централизованные система на базе одного управляющего вычислительного комплекса, имеющего прямую связь со всеми источниками и приемниками информации;
одноуровневые централизованные с уплотнением каналов связи - системы на безе одного управляющего комплекса и систем уплотнения линий связи;
двухуровневые с одной ЭВМ - системы на базе одной ЭВМ с частотным распределением функций управления на управляемые регуляторы и (или) программаторы, и (или) локальные посты управления;
многоуровневые (двухуровневые), с многими ЭВМ - системы, в которых ЭВМ используется более, чем на одном уровне.
.2 АСУТП с вычислительным комплексом в роли советчика
Основным инструментом для решения современных проблем управления материальным производством служат так называемые АСУ, в которых центральная, главенствующая роль и творческие способности человека сочетаются с широким применением современных математических методов и средств автоматизации, включая вычислительную технику.
АСУ - это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности. Процесс оптимизации предполагает выбор такого варианта управления, при котором достигается минимальное или максимальное значение некоторого критерия, характеризующего качество управления.
АСУП предназначена для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью промышленного предприятия в целом и (или) его самостоятельных частей на основе применения экономико-математических методов и средств вычислительной техники.
Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) - это АСУ для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. В АСУТП человек играет важнейшую роль, принимая в большинстве случаев решения по управлению. Существенное место в АСУТП занимают автоматические устройства (в том числе средства ВТ), выполняющие операции по переработке информации. Цель функционирования АСУТП - оптимизация работы технологического объекта путем соответствующего выбора управляющих воздействий.
Таким образом, АСУТП - совокупность автоматических устройств, средств получения, обработки и передачи информации и технического персонала, осуществляющая контроль и управление ТП с целью оптимизации по заданным параметрам.
АСУ может быть отнесена к классу АСУТП только в том случае, если она осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что и протекающие в нем технологические процессы, обеспечивает управление технологическим объектом в целом, а ее технические средства участвуют в выработке решений по управлению.
Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам. Рассмотрим один из них.
АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции, содержат все функциональные и аппаратурные элементы, и еще имеет в наличии вычислительный комплекс (ВК), который выполняет функции централизованного контроля работа и состояния оборудования, вычисление комплексных технических и технико-экономических показателей
Вычислительный комплекс получает всю необходимую информацию о состоянии объекта, в том числе о регулируемых и управляемых величинах. Характерной особенностью рассматриваемого вида системы является то, что задачи анализа поступающей информации, принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий, возлагается на оператора.
В АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме "советчика" на ВК кроме функций, выполняемых в предыдущей системе, возлагают задачи анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций (советов) по управлению оператору-технологу. Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остается за оператором. Такая АСУ функционирует следующим образом: через заданные промежутки времени (обычно раз в 10-15 минут) полученные в ВК данные о состоянии объекта и комплексные технические и технико-экономические показатели анализируются с помощью математической модели управляемого процесса. Путем вычислений по модели определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимальному состоянию, результаты представляются оператору, который управляет процессом, изменяя регулируемые механизмы в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми ВК. При этом оператор выполняет роль следящего и координирующего звена и вносит изменения по советам ВК, который, в свою очередь, непрерывно помогает оператору в его усилиях оптимизировать ТП.
.3 Система автоматического регулирования. Фундаментальные принципы управления
Объект управления - это некий механизм, агрегат или устройство, либо технологический, энергетический процесс, желаемое поведение и протекание, которого должно быть обеспечено.
Поведение объекта управления, результат его действия определяются некоторыми показателями хn. Чаще всего ими являются значения физических величин, которые называют выходными величинами объекта управления. К ним относят наиболее важные для оценки поведения объекта и его практического использования величины.
Кроме этих основных параметров, работа объекта характеризуется рядом вспомогательных параметров yi, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными).
В процессе работы на объект поступают возмущавшие воздействия f1, f2,…,fi, вызывающие отклонение параметров xn. Информация о текущих значениях xn и yi поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,…,gк, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия Е1, Е2,...,Еm для компенсации выходных параметров.
Входные воздействия, с точки зрения их влияния на действие объекта и на его выходные величины xn, разделяются на две принципиально отличные группы. Некоторые из входных воздействий обеспечивают желаемое изменение поведения объекта, достижение поставленных целей. Такие входные воздействия называют управляющими Еm и при их отсутствии задача управления вообще не имеет решения. При ручном управлении такие воздействия на объект осуществляет оператор, при автоматическом - система управления.
Другие входные воздействия fi, напротив, мешают достижению цели и изменять их, как правило, невозможно. Такие воздействия называют возмущающими или помехами.
Задача управления, по существу, заключается в формировании такого закона, при котором достигается желаемое поведение объекта.
Сложная и разносторонняя задача управления в подавляющем большинстве случаев включает более узкую задачу регулирования. Задача регулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени - задающим воздействиям. Последние могут быть постоянными или изменяющимися как по заданному, так и по заранее неизвестному закону. В нашем случае объектами регулирования выступают вспомогательные параметры yi.
Используется три фундаментальных принципа автоматического управления: разомкнутого управления, обратной связи и компенсации.
Принцип разомкнутого управления состоит в том, что алгоритм управления строится только на основе заданного алгоритма функционирования и не контролируется по фактическому значению управляемой величины.
Также используется принцип регулирования по возмущению (принцип компенсации). Так как отклонение регулируемой величины зависит не только от управления, но и возмущающего воздействия, то в принципе можно сформулировать закон управления так, чтобы в установившемся режиме отклонение отсутствовало.
Системы регулирования по возмущению в сравнении с системами, действующими по отклонению, отличаются обычно большими устойчивостью и быстродействием. К их недостаткам относятся трудность измерения нагрузки в большинстве систем, неполный учёт возмущений (компенсируются только те возмущения, которые измеряются).
Во многих случаях весьма эффективно применение комбинированного регулирования по возмущению и отклонению, широко используемое для регулирования напряжения мощных синхронных генераторов на крупных электростанциях (компаундирование с коррекцией). Комбинированные регуляторы объединяют достоинства двух принципов, но, естественно, конструкция их сложнее, а стоимость выше.
автоматический управление производство сталь
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И СПОСОБЫ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ
.1 Классификация сталей
По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.
Легированные стали - это стали в состав которых помимо углерода и примесей целенаправленно вводят один или несколько легирующих элементов для обеспечения требуемой прочности, пластичности, вязкости и др. технологических и эксплутационных свойств. Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости).
Легирующий элемент это элемент, специально вводимый в сталь для изменения ее строения и свойств. Концентрация легирующих элементов может быть различной, в т.ч. и очень малой. Когда концентрация элемента составляет менее 0,1% легирование стали принято называть микролегированием.
Основные легирующие элементы - это хром (Cr), никель(Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), ванадий (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu), ниобий (Nb), кобальт (Co).
Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам: по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.
По качеству стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В.
Группа А поставляется только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки.
Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются.
Стали группы В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав - номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.
Качественные углеродистые стали - этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050-74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.
Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.
По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6-0,85 % С).
Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. Углеродистые стали, содержащие 0,7-1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента.
По способу раскисления стали делят на три группы: кипящие (содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке), полуспокойные (содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта -90-95%), спокойные (содержат 0,15-0,35% кремния, раскисляются кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного - около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.).
По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0С) деформирования.
По структуре в равновесном состоянии стали, делятся на: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.
.2 Способы получения стали
В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах.
.2.1 Производство стали в конверторах
Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и сливают сталь и шлак. Средняя часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище, которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная коробка, в которую поступает сжатый воздух.
Емкость современных конверторов равна 60 - 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.
Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального положения, при котором отверстия фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна выгорают кремний, марганец, углерод и частично железо.
При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш.
При Бессемеровском процессе в конвертор заливают жидкий чугун с достаточно высоким содержанием кремния (до 2,25% и выше), марганца (0,6-0,9%), и минимальным количеством серы и фосфора.
По характеру происходящей реакции бессемеровский процесс можно разбить на три периода. Первый период начинается после пуска дутья в конвертор и продолжается 3-6 мин. Из горловины конвертора вместе с газами вылетают мелкие капли жидкого чугуна с образованием искр. В этот период окисляются кремний, марганец и частично железо.
Образующаяся закись железа частично растворяется в жидком металле, способствуя дальнейшему окислению кремния и марганца. Эти реакции протекают с выделением большого количества тепла, что вызывает разогрев металла. Шлак получается кислым (40-50% SiO2).
Второй период начинается после почти полного выгорания кремния и марганца. Жидкий металл достаточно хорошо разогрет, что создаются благоприятные условия для окисления углерода. Горение углерода продолжается 8-10 мин и сопровождается некоторым понижением температуры жидкого металла. Образующаяся окись углерода сгорает на воздухе. Над горловиной конвектора появляется яркое пламя.
По мере снижения содержания углерода в металле пламя над горловиной уменьшается и начинается третий период. Он отличается от предыдущих периодов появлением над горловиной конвертора бурого дыма. Это показывает, что из чугуна почти полностью выгорели кремний, марганец и углерод и началось очень сильное окисление железа. Третий период продолжается не более 2 - 3 мин, после чего конвектор переворачивают в горизонтальное положение и в ванну вводят раскислители (ферромарганец, ферросилиций или алюминий) для понижения содержания кислорода в металле. Готовую сталь выливают из конвектора в ковш, а затем направляют на разливку.
При Томасовском процессе в конвертор с основной футеровкой сначала загружают свежеобожженную известь, а затем заливают чугун, содержащий 1,6-2,0% Р, до 0,6%Si и до 0,8% S. В томасовском конвекторе образуется известковый шлак, необходимый для извлечения и связывания фосфора. Заполнение конвектора жидким чугуном, подъем конвертора, и пуск дутья происходят также как и в бессемеровском процессе.
В первый период продувки в конвекторе окисляется железо, кремний, марганец и формируется известковый шлак. В этот период температура металла несколько повышается.
Во второй период продувки выгорает углерод, что сопровождается некоторым понижением температуры металла. Когда содержание углерода в металле достигнет менее 0,1%, пламя уменьшится и исчезнет. Наступает третий период, вовремя которого интенсивно окисляется фосфор. В результате окисления фосфор переходит из металла в шлак, поскольку тетрафосфат кальция может раствориться только в нем. Томасовские шлаки содержат 16 - 24% Р2О5.
Перед раскислением металла из конвертора необходимо удалить шлак, т.к. содержащиеся в раскислителях углерод, кремний, марганец будут восстанавливать фосфор из шлака, и переводить его в металл. Томасовскую сталь применяют для изготовления кровельного железа, проволоки и сортового проката.
Для интенсификации бессемеровского и томасовского процессов в последние годы начали применять обогащенное кислородом дутье - кислородно-конверторный процесс.
При бессемеровском процессе обогащения дутья кислородом позволяет сократить продолжительность продувки и увеличить производительность конвертора и долю стального скрапа, подаваемого в металлическую ванну в процессе плавки. Главным достоинством кислородного дутья является снижение содержания азота в стали с 0,012-0,025(при воздушном дутье) до 0,008-0,004%(при кислородном дутье). Введение в состав дутья смеси кислорода с водяным паром или углекислым газом позволяет повысить качество бессемеровской стали, до качества стали, выплавляемой в мартеновских и электрических печах.
Большой интерес представляет использование чистого кислорода для выплавки чугуна в глуходонных конверторах сверху с помощью водоохлаждаемых фурм.
Производство стали кислородно-конверторным способом с каждым годом увеличивается.
.2.2 Производство стали в мартеновских печах
В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья.
Печь имеет рабочее (плавильное) пространство и две пары регенераторов за счет (воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200° С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100° С, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха.
Шихтовые материалы (скрапы, чугун, флюсы) загружают в печь наполненной машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление металла и шлака в печи происходит в плавильном пространстве при контакте материалов с факелом раскаленных газов. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в самой низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной.
Процесс плавки в мартеновских печах может быть кислым или основным.
В основном мартеновском процессе перед началом плавки определяют количество исходных материалов (чушковый чугун, стальной скрап, известняк, железная руда) и последовательность их загрузки в печь. При помощи заливочной машины мульда (специальная коробка) с шихтой вводится в плавильное пространство печи и переворачивается, в результате чего шихта высыпается на подину печи. Сначала загружают мелкий скрап, затем более крупный и на него кусковую известь (3 - 5 % массы металла). После прогрева загруженных материалов подают оставшийся стальной лом и предельный чугун двумя тремя порциями.
Этот порядок загрузки материалов позволяет их быстро прогреть и расплавить. Продолжительность загрузки шихты зависит от емкости печи, характера шихты, тепловой мощности печи и составляет 1,5 - 3 ч.
В период загрузки и плавления шихты происходит частичная окисление железа и фосфора почти полное окисление кремния и марганца и образования первичного шлака. Указанные элементы окисляются сначала за счет кислорода печных газов и руды, а затем
закиси железа растворенной в шлаке. Первичный шлак формируется при расплавлении и окислении металла и содержит 10 -15% FeO, 35 -45% CaO, 13 - 17% MnO. После образования шлака жидкий металл оказывается изолированным от прямого контакта с газами, и окисление примесей происходит под слоем шлака. Кислород в этих условиях переносится закисью железа, которая растворяется в металле и шлаке. Увеличение концентрации закиси железа в шлаке приводит к возрастанию ее концентрации в металле.
Для более интенсивного питания металлической ванны кислородом в шлак вводят железную руду. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, фосфор и углерод по реакциям, рассмотренным выше.
К моменту рас плавления всей шихты значительная часть фосфора переходит в шлак, так как последний содержит достаточное количество закиси железа и извести. Во избежание обратного перехода фосфора в металл перед началом кипения ванны 40 - 50% первичного шлака из печи.
После скачивания первичного шлака в печь загружают известь для образования нового и более основного шлака. Тепловая нагрузка печи увеличивается, для того чтобы тугоплавкая известь быстрее перешла в шлак, а температура металлической ванны повысилась. Через некоторое время 15 - 20 мин в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание окислов железа в шлаке, и вызывает в металле реакцию окисления углерода. Образуется окись углерода, которая выделяется из металла в виде пузырьков, создавая впечатление его кипения, что способствует перемешиванию металла, выделение металлических включений и растворенных газов, а также равномерному распределению температуры по глубине ванны. Продолжительность периода кипения ванны зависит от емкости печи и марки стали, и находится 1,25 - 2,5 ч и более.
Обычно железную руду добавляют в печь в первую периода кипения, называемого полировкой металла. Скорость окисления углерода в этот период в современных мартеновских печах большой емкости равна 0,3 - 0,4% в час.
В течение второй половины периода кипения железную руду в ванну не подают. Металл кипит мелкими пузырьками за счет накопленных в шлаке окислов железа.
Когда содержание углерода в металле окажется несколько ниже, чем требуется для готовой стали, начинается последняя стадия плавки - период доводки и раскисления металла. В печь вводят определенное количество кускового ферромарганца (12% Mn), а затем через 10 - 15 мин ферросилиций (12-16% Si). Марганец и кремний взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода приостанавливается. Внешним признаком освобождения металла от кислорода является прекращение выделения пузырьков окиси углерода на поверхности шлака.
При основном процессе плавки происходит частичное удаление серы из металла, для этого необходимы высокая температура и достаточная основность шлака.
Кислый мартеновский процесс состоит из тех же периодов, что и основной. Шихту применяют очень чистую по фосфору и сере. Объясняется это тем, что образующийся кислый шлак не может задерживать указанные вредные примеси.
Печи обычно работают на твердой шихте. Количество скрапа равно 30 - 50% массы металлической шихты. В шихте допускается не более 0,5% Si. Железную руду в печь подавать нельзя, так как она может взаимодействовать с кремнеземом подины и разрушать ее в результате образования легкоплавкого соединения 2FeO*SiO2. Для получения первичного шлака в печь загружают некоторое количество кварцита или мартеновского шлака. После этого шихта нагревается печными газами; железо, кремний, марганец окисляются, их окислы сплавляются с флюсами и образуют кислый шлак, содержащий до 40 -50 % SiO2. В этом шлаке большая часть закиси железа находится в силикатной форме, что затрудняет его переход из шлака в металл. Кипение ванной при кислом процессе начинается позже, чем при основном, и происходит медленнее даже при хорошем нагреве металла. Кроме того, кислые шлаки имеют повышенную вязкость, что отрицательно сказывается на выгорании углерода.
Так как сталь выплавляется под слоем кислого шлака с низким содержанием свободной закиси железа, этот шлак защищает металл от насыщения кислородом. Перед выпуском из печи в стали содержится меньше растворенного кислорода, чем в стали, выплавленной при основном процессе.
2.2.3 Производство стали в электрических печах
Для выплавки стали используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое применение в металлургической промышленности.
Нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя электрическими дугами. Электрические дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической шихтой.
Технология выплавки стали в дуговых печах. В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.
Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее содержание углерода в шихте на 0,5 -0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты в месте нахождения электродов. Шихту в дуговые печи малой и средней емкости загружают мульдами или лотками через завалочное окно, а в печи большой емкости через свод, который отводят в сторону вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки кокса, включают ток, и начинают плавку стали.
При плавки стали в дуговых печах различают окислительный и восстановительный периоды.
Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак.
Для получения нового шлака в основную дуговую печь подают обожженную известь и другие необходимые материалы. После удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и начинается горение углерода. Во время кипения ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения удаляются. При этом отбирают пробы металла для быстрого определения в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения его состава. Основность шлака поддерживается равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.
После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления углерода содержится меньше, чем требуется по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых электродов или кокс.
Восстановительный период плавки в основных дуговых печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей - под карбидным шлаком.
Для получения белого шлака в печь загружают шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. Через некоторое время на поверхности образуется слой шлака с достаточно высокой концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.
Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плавикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак.
Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.
Выплавка стали под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают карбидообразующую смесь, состоящую из кокса, извести и плавикового шпата. Образующийся карбид кальция увеличивает раскислительную и обессеривающую способность карбидного шлака.
При выплавке стали методом переплава, в печь не загружают железную руду и условия для кипения ванны отсутствуют. Шихта состоит из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку его нельзя будет удалить в шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 - 15% мягкого железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят из шлака в металл.
.2.4 Новые методы производства и обработки стали
Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.
Очень перспективным способом получения высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 - 50%, а содержание неметаллических включений - в два-три раза.
Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой удаляют воздух и другие газы.
Также существует метод рафирования стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Техническая база производства в большинстве отраслей промышленности достигла к настоящему времени такого уровня развития, при котором эффективность производственного процесса самым непосредственным и существенным образом зависит от качества управления технологией и организации производства. Поэтому на первый план выдвигается задача оптимального управления технологическими процессами, решить которую без развитой АСУ ТП в большинстве случаев невозможно.
Средства вычислительной техники стали не только разгружать человека от выполнения рутинной нетворческой работы, связанной с большим числом простых операций по обработке крупных массивов информации, но и оказывать ему помощь в выполнении творческих задач (принятие решений по распределению ограниченных ресурсов, оптимизации технологического процесса и т. п.). Несмотря на это роль человека в любой АСУ весьма существенна: так как ряд ответственных задач принятия решений в силу их сложности, многогранности и не изученности не поддается формализации, их выполнение не может быть полностью автоматизировано и остается за человеком
Новейшим направлением в производстве стали является прямое восстановление железной руды водородом, природным или генераторным газом, минуя доменные процессы. При этом получают губчатое железо, состав которого в отличие от доменного чугуна очень близок к стали. Мартеновский способ в настоящее время также устарел. Гораздо более прогрессивными являются конверторный и электроплавильный. Происходит бурное развитие технологии непрерывной разливки стали благодаря ее исключительно высокой эффективности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред. А. И. Ермакова. - Изд. 28-е, перераб. и доп. М.: Интеграл-Пресс, 2000. - 728 с.
- Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1966. - 480 с.
- Жадан, В.Т. Технология металлов и других конструкционных материалов: учеб. для вузов / В. Т. Жадан, Б. Г. Гринберг, В.Я. Никонов; под общ. ред. П. И. Полухина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1970. - 704 с.
- Лукас, В.А. Теория автоматического управления /В.А. Лукас. - М.: Недра, 1990. - 416 с.
- Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры: учеб. для вузов / И.П. Бушминский и др. - М.: Радио и связь, 1989. - 624 с.
- Экономическая информатика и вычислительная техника: учеб. / под. ред. В.П. Косарева, А.Ю. Королёва. - М.: Финансы и статистика, 1996. - 336 с.