2.1. Производство стали.

Способы производства стали

Производство стали осуществляют тремя различными способами: кислородно-конверторным, мартеновским и электросталеплавильным. Суть этих процессов состоит в понижении содержания углерода и других эле­ментов в чугуне до заданного уровня путем проведения при высоких тем­пературах окислительной плавки. В настоящее время разработан и прак­тически осуществлен метод прямого восстановления железа, что позволяет исключить доменное производство при получении стали.

При создании сталеплавильных агрегатов используют огнеупорные материалы, которые по свойствам и составу делят на кислые, основные и нейтральные. В кислых огнеупорных материалах /динас, кварцевый песок/ главным компонентом является окись кремния, в основных /доломит, магнезит/ - окислы кальция и магния, в нейтральных /шамот, хромомагнезит/ - окись алюминия и окись хрома. Выбор материалов для футеровки плавильных агрегатов определяется составом шлаков, образующихся плавке. На основании этого различают кислый и основной сталеплавильные процессы.

Рис.1.2. Конверторный способ производства;

а-загрузка скрапа; б-заливка жидкого чугуна; в-продувка кислородом; г- вылуск стали в ковш; д-слив шлака в шлаковую чашу

Кислородно - конверторный (рис.1.2. ) способ производства стали состоит в том, что жидкий чугун заливают в специальное устройство - конвертор и продувают чистым кислородом. Кислород сначала окисляет железо, затем образовавшаяся закись железа ваимодействует с примесями чугуна - марганцем, кремнием и углеродом, что при­водит к возникновению их окислов. Эти окислы взаимодействуют между собой, а также с закисью железа, образуя шлак, тогда как окись угле­рода выделяется ил металла и догорает на выходе из конвертора, Б ре­зультате этих реакций к концу продувки содержание марганца, кремния и углерода уменьшается до уровней, соответствующих низкоуглеродистой стали. Процесс в кислородном конверторе протекает очень интенсивно: плавка продолжается не более 30...50 мин, это обеспечивает высокую производительность конверторного процесса. Продувка металла кислоро­дом, а не воздухом повышает качество конверторной стали, поскольку в десять раз уменьшает количество в ней азота.

Мартеновский способ /рис.1.3. производства стали осу­ществляют в мартене, представляющем собой пламенную регенеративную печь, в которой над ванной с расплавленным металлом и шлаком сжига­ется жидкое или газообразное топливо. Топливо и воздух предварительно подогревают до 1000...1200 С отходящими продуктами горения в регене­раторах. Для интенсификации процесса в определенный момент ведения плавки в ванну вводят чистый кислород. Металлическая шихта для мартена составляется из твердого и жид­кого чугуна и металлического лома, а также железной руды, окатышей и флюсов /известняк, боксит и плавиковый шпат - в основной печи; квар­цевый песок, бой динасового и шамотного кирпича - в кислых печах/.

Риc.1.3. Схема устройства мартеновской печи: I - регенератор; 2 - головки печи: 3 - фурма для подачи кислорода; 4 - завалочные окна; 5 - ванна; - шихта; 7 - факел; 8 - дымовая труба.

Металлическая шихта для мартена составляется из твердого и жид­кого чугуна и металлического лома, а также железной руды, окатышей и флюсов /известняк, боксит и плавиковый шпат - в основной печи; квар­цевый песок, бой динасового и шамотного кирпича - в кислых печах/.

Продолжительность плавки 7...12ч,и по производительности марте­новский способ уступает конверторному, хотя емкость мартенов сейчас увеличена до 900 т, и строятся двухванные печи.

Процесс плавки состоит из периодов завалки и плавления шихты, окисления примесей и кипения ванны, раскисления и доводки состава стали. Окисление примесей марганца и кремния происходит по тем же ре­акциям, что и в конверторе, образующийся кремнезем связывается в шлаке закисью железа с образованием силиката железа. В основных печах об­разуется силикат кальция, что создает хорошие условия для удаления фосфора из стали.

Период кипения есть процесс выгорания углерода, когда образую­щаяся окись углерода, выделяясь в виде пузырьков газа, создает впе­чатление кипения ванны расплавленного металла.

Раскисление стали проводят в конце плавки ферромарганцем, ферро­силицием или алюминием. Завершает процесс плавки легирование стали до заданного состава.

Электросталеплавильный процесс осуществляют в дуговых или индукционных электропечах. В дуговых электропечах /рис. 1.4/ плавка идет за счет тепла, выделяемого при горении электрической дуги, возбуждаемой между угольными электродами и металлом.

Шихта для электропечи в основном состоит из стального лома. Для ускорения окисления углерода, кремния и марганца используют же­лезную руду, окалину и кислород. Шлакообразующими служат те же веще­ства, что и в мартеновском процессе. Все шихтовые материалы перед за­грузкой хорошо просушивают, так как при мощном электрическом разряде влага диссоциирует

с образованием атомарного водорода, который пог­лощается расплавленным металлом.

Плавка в дуговой печи начинается с процесса окисления примесей, в частности, содержание фосфора в металле понижается до 0,015 и он переходит в шлак в виде Р₂О₅ богатый фосфором шлак удаляют /скачива­ют/ и начинают период восстановления, при котором удаляют из металла серу /десульфурация/, для чего создают шлак из извести и плавикового шпата. В конце периода раскисляют и легируют сталь до заданного сос­тава.

Дуговые электропечи являются основными для выплавки сложнолегированных сталей, содержащих тугоплавкие элементы.

Рис.1.4. Схема устройства сталеплавильной электропечи: I - огнеупорная футеровка; 2 - выпускной желоб; 3 - метал­лическая шихта; 4 - металлический кожух; 5 - стенки печи; 6 - свод; 7 - гибкий кабель; 8 -.электродержатель; 9 - электрод; 10 - рабочее окно; II - наклоняюпдой меха­низм; 12 – подина

3 индукционных печах /рисЛ.5/ источниками тепла являются вих­ревые токи, индуцируемые в шихте и расплавленном металле переменным электромагнитным полем, возникающем при пропускании переменного эле­ктрического тока по виткам обмотки, уложенной вокруг огнеупорного со­суда /тигля/. В качестве флюсов в печах из. кварцита используют битое стекло, а в печах с основной футеровкой - известняк, плавиковый шпат. 'Шлаки не электропроводны и потому в индукционных печах они имеют низ­кую температуру и малую химическую активность. Главное назначение шлаков - предохранение расплавленного металла от воздействия атмосфе­ры и уменьшение тепловых потерь.

Рис.1.5. Схема устройства индукционной печи. 1- расплавленный металл; 2- съёмный свод; 3- водоохлаждаемый индуктор; 4- тигель.

Рис.1.6. Схема устройства разливочного ковша: 1- кожух; 2- огнеупорная кладка; 3- стакан; 4- отверстие стакана; 5- пробка; 6- стальная штанга; 7- огнеупорные трубки; 8- цапфа; 9- слой шлака; 10- расплавленный металл; 11- рычажный механизм управления.

Готовую жидкую сталь из любого плавильного агрегата выпускают в сталеразливочный ковш /рис. 1.6/. Разливка стали из ковша производится 0шбо в специальные формы - изложницы, либо в машины непрерывного литья.

Изложницы заполняют струей металла, падающей сверху, или методом сифонной разливки /рис.1.7/. Изложницы для сифонной разливки имеют (отверстие в днище и устанавливаются по несколько штук на общем под­доне, имеющем систему горизонтальных каналов, соединяющих отверстия в днищах изложниц с вертикальным центральным литником. Сталь из ковша заливают в этот литник, откуда по каналам она падает сразу в несколь­ко изложниц.

В машине непрерывного литья заготовок /рис.1.8/ сталь из разли­вочного ковша через промежуточный ковш непрерывно поступает в медный водоохлаждаемый кристаллизатор. При выходе из кристаллизатора не пол­ностью затвердевшая полоса металла (с поверхности) подвергается дополнительному спреерному охлаждению и поступает в тянущие ролики. Ниже тянущих роликов располагается подвижная газовая горелка (резак), разрезающая выходящую полосу на заготовки мерной длины, lb сравнению |с разливкой в изложницы непрерывная разливка стали существенно снижает потери металла с отходами, так Как в заготовках отсутствует усадочная раковина, и увеличивает производительность процесса.

Для улучшения качества сплавов применяют вакуумирование стали при разливке /рис. 1.9/, рафинирование синтетическими шлаками, вакуумно-дуговой и электрошлаковый переплавы.

При важуумно-дуговом переплаве /ВДП/ рис.1.10./ расходуемый электрод помещают в вакуумную камеру, в нйжней части которой расположен водоохлаждаемый кристаллизатор. Между рас­ходуемым электродом /катодом/ и затравкой /анодом/, расположенной в кристаллизаторе, возбуждается !электрическая дуга, теплом которой постепенно плавится конец расходуемого электрода, и жидкий металл по каплям проходит через зону разряда и подвергается воздействию вакуу­ма /понижается количество газов/.

Собираясь на дне кристаллизаторов, металл постепенно затвердевает, и образуется новый слиток. Переплавленный металл обладает более высокой пластичностью и меньшей анизо­тропией.

При электрошлаковом переплаве /ЭШП/рис1.11/конец расходуемого электрода находится в ванне расплавленного шлака. Поэтому капли расплавленного метелла, стека с конца электрода и проходя через расплавленный шлак, очищаются от вредных примесей. Расплавленный металл накапливается в кристаллизаторе в виде плотного слитка. Расплавление металла при ЭШП происходит за счет тепла, выделяемого при пропускании переменного электрического тока через расходуемый электрод /метод прямого нагрева металла/

Рис. 1.7. Схемы разливки стали

Рис.1.9 Схема Вакуумной дегазации стали в ковше. 1- крышка; 2- камера; 3- ковш; 4- жидкая сталь.

Рис. 1.8. Схема непрерывной разливки стали 1- разливочный ковш; 2- промежуточное разливочное устройство; 3- кристаллизатор; 4- затвердевающий слиток; 5- тянущие валки; 6- форсунки охлаждения; 7- зона резки металла; 8- газовый резак.

С момента изобретения стали, менялись и совершенствовались способы

Производства в настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали. К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства (или плавления) стали. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ. Давайте остановимся на каждом способе более подробно и рассмотрим их отличия.

Мартеновский способ

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Обязательное условие - топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 - 6 часов. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси. ^

Электросталеплавильный способ

В результате электросталеплавильного способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных электрических печах. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали - использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов.

Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор. Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговая сварка.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После такой выплавки, сталь дополнительно переплавляют вакуумным дуговым переплавом. Что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях. Мы рассмотрели основные способы производства стали. Выбор способа всегда зависит от поставленных задач удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов. Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.