Производство стали

Производство  стали

Классификация стали и ее технология

    Сталью  называется сплав железа с углеродом, при содержании последнего не менее 2,14 %. Основная масса стали производится переработкой чугуна. Сталь имеет более высокие механические и технические свойства в сравнении с чугуном: ее можно обрабатывать давлениям (например, ковать), она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием (исключительно некоторые марки). В расплавленном состоянии сталь имеет достаточную жидкостную текучесть  для получения литых деталей, но литейные свойства чугуна лучше. Мягкая сталь  с содержанием углерода менее 0,25 % имеет высокую пластичность, легко обрабатывается давлением в холодном или горячем состоянии. Легированная низкоуглеродистая сталь широко применяется в современном машиностроении и строительстве.

    Переработка чугуна в сталь заключается в  том, чтобы отделить от чугуна  избыток  углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом отделить  вредные примеси серы и фосфора, которые придают стали хрупкость. Углерод чугуна, присоединяясь к кислороду, превращается в газ (СО), который испаряется. Другие примеси переводят в оксиды и другие соединения, нерастворимы или малорастворимые  в  металле. Эти соединения вместе с флюсами создают на поверхности металла шлак.  При окислении марганец и кремний образуются  нерастворимые  в  металле оксиды MnO  и SiO₂. При окислении фосфора образуется его оксид P₂O₅, он легко растворим в металле и шлаке. Чтобы извлечь фосфор с металла, добавляют шлак с избытком извести, которая  и связывает P₂O₅ в соединение (CaO)₄ P₂O₅, нерастворимое в металле. Непосредственным окислителем примесей  в производстве стали является нерастворимый в  металле оксид железа FeO.

    Серу, растворенную в чугуне, в составе соединения FeS, извлекают с помощью марганца или извести, которые образуют с ней либо плохо растворимое в металле соединения MnS, либо нерастворимое соединения CaS, которое переходит в шлак. Последней операцией процесса по производству стали является восстановления железа с FeO (раскисление). При выплавке легированной стали раскисление совмещают с легированием.

    Сырьем  для получения стали является переработанный чугун, скрап (стальной или чугунный лом, стружка, обрезки), металлизированные окатыши. Как окислитель используются кислород, железную руду, окалину; как флюс при кислых процессах используют кварцевый песок, а при основных процессах – известь, плавиковый шпат, боксит. Как раскислители используют ферросплавы, что выплавлены в электропечах, и алюминий.

    Для придания стали особенных качественных свойств во время выплавки либо разливки к ней добавляют легирующие элементы – хром, никель, молибден, ванадий, титан, вольфрам и т.д., такие стали называют легированными. 

    Сейчас  используется в основном кислородно-конверторный, мартеновский и электротермический способы получения стали. Этими способами сталь получают в жидком состоянии. 
 

    Производство стали в кислородных конверторах

    При конверторных процессах источником тепла для выплавки стали с расплавленного чугуна являются химические экзотермически реакции окисления элементов, что входят в состав чугуна. За последние годы в производстве стали широко развиваются кислородно-конверторные способы при продувке кислородом сверху и при продувке снизу (сквозь дно).

    Ее  преимуществами является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов, а также снижение затрат на строительство по сравнению с мартеновскими цехами.

    Кислородные конверторы могут быть стационарными и вращающиеся. Сейчас используют в основном стационарные конверторы с глухим дном емкостью от 100 до 400 т. Ведутся работы по использованию конверторов с донной продувкой. Часть кислородно-конверторной стали, в общей ее выплавке, постоянно возрастает и составляет более половины ее мирового производства.

Рис.1. Кислородный конвертор: 1 – стальной кожух; 2 – огнеупорный материал; 3 – горловина для загрузки шихты; 4 – летка для выливания стали; 5 – фурмы для подачи кислорода; 6 – сталь. 

    Конвертор имеет форму груши (рис.1). Внутри он футирован огнеупорным материалом 2, снаружи покрыт стальным кожухом 1 и с помощью роликов может оборачиваться вокруг горизонтальной оси на 180^о. Верхняя часть имеет горловину 3 для загрузки шихты, заливания чугуна, испускания шлака, подачи кислорода под давлением 0,9-1,4 МПа через фурмы 5. Сбоку конвертора есть летка 4 для выливания стали 6. Для загрузки шихты конвертор наклоняют, загружают скрап, заливают расплавленный чугун, засыпают флюсы и возвращают в вертикальное (рабочее) положения. Вставляют фурмы (в больших агрегатах их более 4)  и продувают конвертор кислородом (99,5%), досыпают флюсы и железную руду. Время продувания до 25 мин. Подачу кислорода прекращают при появлении бурого пламени, что свидетельствует об окончании горения примесей и начало горения железа. Подачу кислорода прекращают. Сталь готова. После окончания плавки фурмы вытягивают, конвертор возвращают в вертикальное положение, делают химический анализ проб металла и шлака. Сталь через летку выпускают в ковш, а шлак через горловину – в шлаковозы. Плавка длится до 50 минут. Раскисляют сталь в ковше во время выпуска. Легируют частично в печи, частично в ковше.

    Основную  массу залитого в конвертор чугуна составляет железо (приблизительно 93%). Поэтому, проникший в чугун кислород окисляет преимущественно железо:

     Н.                                            (1.1)

    В начале продувки в конверторе сразу образуются две, несмешиваемые между собой жидкости  - металл (плотность – 7800 кг/м³) и шлак (плотность – 2500 кг/м³), которые находятся в постоянном контакте и взаимодействии. Часть оксида железа (ІІ) остается в металле, часть переходит в шлак, при этом как в металле, так и в шлаке оксид железа (ІІ) реагирует с другими элементами и соединениями. Оксид железа (ІІ), который находится в металле, вступает во взаимодействие с примесями в чугуне:

    2FeO + Si → 2Fe + SiO₂ +ΔH.                                        (1.2)

                                             FeO + Mn →Fe + MnO +ΔH.                                       (1.3)

    Фосфор  выгорает по реакции:

     .                                    (1.4)

    Углерод выгорает по реакции:

     .                                       (1.5)

    Оксид углерода СО пузырьками выходит с раствора, частично сгорает, реагирует с кислородом:

     .                                        (1.6)

    Нагревание способствует растворению извести, боксита и оксида железа, в результате образуется активный основный шлак с избытком свободного оксида кальция, который связывает фосфор в нерастворимое в металле соединение:

     .                                   (1.7)

    При переработке высокофосфористого чугуна, для того, чтобы предотвратить обратный переход фосфора со шлака в металл, шлак, обогащенный фосфором, выкачивают и снова засыпают известь. Фосфористый шлак используют как удобрения. Горячий высокоизвестняковый шлак  в конверторе дает возможность шлаковать фосфор раньше, чем выгорает углерод. Известь также обеспечивает ошлаковывание серы по реакции:

     .                                     (1.8)

    Эта реакция происходит на границе шлак - металл. Шлак обеспечивает извлечение серы с металла до 0,015%. При начале продувки кислородом в конверторе  окисляется  кремний, фосфор и марганец. Быстрое окисление углерода развивается позже во время продувки с нагреванием.

    Раскисление вылитой в ковш стали необходимо, поскольку она содержит повышенное количество оксида железа (ІІ), вызывая в стали ломкость при нагревании и ухудшение механических свойств. Раскисление происходит с помощью ферромарганца, феррокремния, для чего эти ферросплавы вводят в поток металла при сливании его с конвертора. Раскисление железа при этом определяется реакциями (1.2) и (1.3). Как окислитель также используют алюминий, в этом случае железо восстанавливается по реакции:

     .                                 (1.9)

    Перспективен кислородно-конверторный процесс с донной продувкой  (продувкой снизу), при которой увеличивается выход качественного металла, уменьшается выгорание железа, резко уменьшается дымообразование, обеспечивает возможность увеличения  присадки скрапа  в сравнении с конверторами с продувкой сверху. Кислородные конверторы  с продувкой снизу  планируют использовать и для замены мартеновских печей.

    В конверторах с кислородной продувкой  выплавляют углеродные и легированные  конструктивные и инструментальные стали, а также шарикоподшипниковые, высоко марганцевые и др., которые не уступают мартеновским и электросталям, причем качество некоторых низколегированных марок стали выше соответственных марок мартеновской и электростали. В связи с этим удельный вес производства стали в мартеновских печах значительно сократится в будущем.

    Производство  стали в мартеновских печах.

    Мартеновское  производство возникло в 1864 году, когда  П. Мартен приспособил регенеративную (использующую тепло отходящих газов) печь Сименса для выплавки литой стали с твердой шихты. Часть мартеновского производства не очень большая, поэтому усилия металлургов направлены на интенсификацию мартеновских плавок и улучшение качества металла. В мартеновских печах сталь выплавляют с твердого или жидкого чугуна, стального или чугунного лома с примесями железной руды, окалины, флюсов и ферросплавов, при этом выходит побочный продукт плавки – мартеновский шлак.

    Мартеновская  печь представлена на рис.2. Ее плавильное пространство 2

Рис.2. Мартеновская печь: 1 – каналы для подвода отопительного газа и воздуха и для отвода продуктов сгорания; 2 – рабочее пространство; 3 – свод; 4 – под печи; 5-8 – регенераторы. 

ограничено  подом – 4, сверху - сводом 3, по бокам – стенками. В передней стенке заложены окна для загрузки шихты, в задней – отверстия для выпуска стали и в боковых – отверстия 1 для ввода газового топлива и воздуха для горения, а также для отвода продуктов горения при 1600 ºС в регенераторы 5-8. Применение регенераторов способствует полному использованию топлива. 

     На  наших крупных металлургических заводах мартеновские печи нагревают сжиганием смеси доменного и коксового газа, а также природного газа. Каналы 1 служат для подвода горячего воздуха и газового топлива, которые сжигаются длинным факелом печи, и для отвода горячих газов – продуктов сгорания. Периодически через 10…15 минут изменяются направления движения газов в обратную сторону в регенераторах и в самой печи, чем обеспечивается их постоянное нагревание до 1000…1500^оС и нагревание плавильного пространства до 1700^оС. Если нет нагревания, то температура  в печи не превысит 1400^оС, тогда как температура плавки мягкой стали – 1500^оС. Таким образом, когда одна пара регенераторов нагревает газы, другая накапливает теплоту выходных продуктов сгорания. Время от времени снижают массу продуктов сгорания в отходящих газах, заменяя частично их кислородом, тем самым повышают температуру реакции.

    В передней стенке мартеновской печи находятся окна, через которые с рабочей площадки закидают шихту, берут пробы стали и наблюдают за плавкой. Поддон печи наклонен к задней стенке, на которой находится летка, закрытая во время плавки пробкой с огнеупорной массы; для выпуска стали пробку снаружи выбивают. Мартеновские печи на машиностроительных заводах работают на мазуте, который распыляют форсунками при подаче системного воздуха или пара под давлением 0,5…0,8 МПа. В печах, которые  работают на мазуте, есть только два регенератора (по одному с каждой стороны) для нагревания воздуха.

    Процессы  плавления в мартеновских печах  разделяют на основные и кислые в  зависимости от состава шихты. Плавка на шихте, в которой содержание серы и фосфора больше допустимого в готовой стали, изготовляется по основному процессу, под основным шлаком и в печах, выложенных основными огнеупорами (91-94% магния, 1-2% кальция).  Для плавки стали под кислым шлаком, используют печи с кладкой с динасового кирпича (93-96% кремния, 2-3% кальция). Длительность службы мартеновской печи (количество плавок) определяется стойкостью свода (печи с хромомагнезитовым сводом (30-70% магния, 10-30% оксида хрома(ІІІ)) выдерживают 700 плавок и более).