Производство стали

fy">    Мартеновский  процесс сводится к физико-химическому  взаимодействию между металлом, шлаком, газовой средой, а также огнеупорами  печи при высоких температурах. Задачей процесса является уменьшение содержания в стали углерода, марганца, кремния и, возможно, полное извлечения из нее вредных примесей при наименьшем износе печи и затратах топлива. Окисления металла происходит при его взаимодействии с кислородом, что поступает в печь с воздухом, а также рудой и окалиной. Для ускорения окисления используют также вдувания кислорода в металл. Существует несколько видов мартеновских процессов: скрап – рудный процесс, скрап – процесс, основный скрап – процесс и кислый скрап – процесс. Чаще всего применяют скрап-рудный процесс, при котором используют 50-75 % жидкого чугуна, остальное – скрап и железная руда.

    Существенно ускоряет плавку использование кислорода. В мартеновском производстве кислород вдувают через особенные форсунки или горелки в головки мартеновской печи для ускорения сжигания топливного газа; кислород вдувают непосредственно  в жидкий металл для ускорения окисления примесей. Среднесуточное снятие стали с 1 м площади пода 10 т, а на лучших заводах – 25 т и более.

    Углерод является основным компонентом, в зависимости  от его содержания значительно изменяются механические свойства стали. Твердость стали увеличивается с увеличением содержания углерода до 1,2%.

    Постоянные  примеси в стали содержатся в  таких количествах: кремний  – 0,05%, марганца – 0,7%, фосфора – до 0,05%. Кремний и марганец  в указанных границах существенно не влияют на свойства стали. С повышением их содержания (кремния выше 0,8%, марганца – 1,0%) наблюдается увеличение твердости и прочности стали. Такая сталь считается легированной. Марганец и кремний являются хорошими раскислителями стали; кроме того, марганец парализует вредное действие серы, образуя с ней соединение MnS, что частично переходит в шлак.

    Сера  является вредной примесью, она нерастворима в железе, в отличие от других соединений, а образует с ним соединение FeS. Серное железо с железом образует эвтектику FeS-Fe с температурой плавления 985^оС. При затвердевании стали эта эвтектика размещается в виде легкоплавких оболочек вокруг зерен. Наличие таких оболочек является причиной хрупкости, при красном накаливании стали, с повышенным содержанием серы при горячей обработке: оболочки расплавляются, в результате чего между зернами теряется связь и образуются трещины. Кроме того, сера понижает пластичность и прочность стали, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость.

    Фосфор  придает стали холоднохрупкость (хрупкость при обычной и пониженной температуре). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристалическую  ликвацию (так как его присутствие увеличивает интервал  температуры между началом и окончанием отвердевания – токами ликвидуса и солидуса) и способствует росту зерна в металле. Вредное влияние фосфора особенно выявляется при повышенном содержании углерода. Таким образом, чем твердее сталь, тем вреднее для нее фосфор. Но в так званых автоматных сталях (с содержанием углерода до 0,3%) допускается повышенное содержание фосфора до 0,15% и серы до 0,2% для облегчения снятия стружки  и получения гладкой поверхности при обработке на станках, в том числе и при нарезании резьбы.  

    Электрические печи.

    Использовать электрические печи для варки стали начали с конца 19 – начала 20 ст. По сравнению с кислородными конверторами и мартеновскими печами данные агрегаты для варки стали более усовершенствованные. В электрических печах легко регулировать нагревание шихты изменением силы тока; можно создать над расплавом определенную атмосферу: окислительную, нейтральную или вакуум; расплавленная шихта нагревается до температуры 3000 ºС, а это дает возможность легировать стали трудноплавкими металлами (W, Mo, Nb и др.); меньше выгорает железо; полученная сталь качественнее, поскольку содержит меньше примесей (фосфора, серы, азота), неметаллических включений. Для варки стали используют дуговые и индукционные электрические печи.

    1. Дуговая печь изготовлена в форме цилиндра с плоским дном (рис.3).  Снаружи она окутана сталью, внутри выложена огнеупорным динасовым или хромомагнезитовым кирпичом. Свод печи 2 имеет три отверстия для электродов 3, которые изготовляют с углерода или графита. Диаметр электродов составляет 400…500 мм, а длина достигает до 2 м. Количество электродов соответствует количеству фаз электрического тока. В стене корпуса печи 1 есть окно 4 для загрузки в печь раскислителей, сливания шлака, взятия на анализ проб металла и шлака. На время работы печи окно закрывают. Готовую сталь выпускают через выпускное отверстие, которое имеет сливной желоб 7. Для этого печь наклоняют  в сторону сливного желоба.

    Для загрузки в печь шихты (скрап, чугун, раскислители, легирующие элементы) свод поднимают или опускают в сторону. Нагревают и расплавляют шихту 6 теплотой, которая выделяется во время горения электрических дуг 5, что образуется между электродами и шихтой. В процессе варки стали электроды сгорают, их меняют на новые. Поднимают и опускают электроды с помощью специального механизма. Длину дуг регулируют автоматически. Объем электрических печей 2,5…200 т, длительность варения стали, зависит от объема печи и марки стали, составляет 2..6 часов. 

    

    Рис.3 Схема дуговой электрической  печи 

    Шихту загружают в печь так: сначала подают малые, потом большие, а дальше крупные куски шихты. Шихту укладывают плотно, потом опускают к самой шихте электроды и включают ток. Начинается окисление шихты: окисляются примеси (кремний, марганец, фосфор и т.д.), углерод и частично железо; образуется первичный шлак и выделяются газы. Шлак сливают и добавляют флюсы и руду. Начинается кипение расплава  и выделяются газы. После окончания кипения берут пробы стали и шлака на анализ и снова сливают шлак. Потом сталь раскисляют и выводят серу.  Для этого в расплав добавляют раскислители и флюсы. В конце раскисления снова берут пробу расплава на анализ. В случае необходимости добавляют легирующие элементы (в процессе варки легированной стали). Окончательное раскисление стали проводят алюминием. Готовую сталь выпускают в ковш. Для средних по объему печей продуктивность составляет 12…15 т. Затраты электроэнергии составляют 500…600 кВт час. Затраты графитовых электродов на 1 т стали равны 6,5 кг.

    2. Индукционная печь состоит с огнеупорного керамического тигля 1, вставленного в индуктор 2, который присоединен к генератору высокочастотного тока (рис. 4). Индуктор изготовлен с медной трубы в виде многовитковой спирали. Для охлаждения индуктора используют воду, которая циркулирует внутри трубки – индуктора. Тигель накрывают крышкой 5, что дает возможность создать в печи окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Шихтой для производства стали является чистый (с малым количеством примесей фосфора и серы) и приблизительно одинаковый по химическому составу скрап. При включении генератора в индукторе инициируются вихревые токи, которые нагревают и расплавляют шихту. В конце процесса варки к расплаву 3 добавляют раскислители и легирующие элементы. Готовую сталь выливают через желоб 4 в ковш и подают на разлив или в литейные цеха для изготовления литых изделий. Объем тиглей индукционных печей  не превышает 30 т. В этих печах варят высоколегированные стали и сплавы особенного назначения. Полученные индукционные стали имеют малое содержание углерода (в дуговых электрических печах нельзя выплавить сталь

    

    Рис. 4 Схема индукционной электрической  печи 

    с малым содержанием углерода, поскольку  угольные электроды являются источником углерода).

    Основной недостаток индукционных печей – малый объем тиглей, небольшой срок их использования (в одном тигле можно варить сталь до 100 раз), значительная стоимость электрического оборудования и т.д. 

    Разливка  и прокатка стали

    Готовую сталь выпускают из сталеварных  агрегатов в разливные ковши, из которых ее разливают на машинах непрерывного литья заготовок либо в формы или изложницы. Полученные отливки направляют на обработку давлением. Под действием внешних сил отливки деформируются, вследствие чего изменяется их форма и размеры. Обработку металлов давлением производят в холодном или горячем состоянии. В процессе горячей деформации (заготовка нагрета до определенной температуры) пластичность металлов больше, чем в процессе холодной, поэтому горячая деформация сопровождается меньшими затратами энергии, чем холодная. Нагревание заготовок перед обработкой давлением влияет на качество продукции. Основным требованием к нагреванию заготовок является равномерное их прогревание за короткое время с наименьшими затратами на образование окалины (оксидной пленки). Чем дольше происходит нагревание, тем толще образуется оксидная пленка, а это потери металла. Кроме того, окалина способствует быстрому изнашиванию оборудования и инструмента, поскольку твердость окалины значительно выше твердости нагретой стали. Одним из самых распространенных видов обработки металлов давлением является вальцевание (прокатка). Изделие, получаемое при вальцевании, называют вальцовкой (прокатом). При этом заготовки сдавливают при помощи валков прокатных станов (рис.5).  
 

Рис.5. Схемы вальцевания: а – продольное; б – поперечное; в – поперечно-винтовое; 1 – валки; 2 – заготовка. 

Очистка сточных вод

     Сталеплавильное производство.При производстве стали сточные воды образуются от охлаждения сталеплавильных печей и конверторов и от мокрой очистки газов. При охлаждении сталеплавильных агрегатов образуются условно-чистые стоки, нагревающиеся на 12-18 °С. Удельные расходы воды на 1 т выплавляемой стали составляют: для мартеновских печей с водяным охлаждением – 10-15 м³, с испарительным охлаждением – 2.5 – 6 м³; для кислородных конвертеров – 1.4 – 2.5 м³; для дуговых электропечей – 10-16 м³. Количество сточных вод от мокрой очистки мартеновских газов составляет 7-10 м³ на 1000 м³ газа, что соответствует 3.7 – 5.2 м³ на 1 т выплавляемой стали. Вода нагревается на 40-45 °С. Средняя концентрация взвешенных веществ составляет 3 г/дм³, максимальная – 17 г/дм³. Гранулометрический состав частиц: размером 0.1 – 0.05 мм  – до 78 % и 0.05 – 0.01 мм – до 22 %.

     В целях повторного использования  сточных вод на газоочистке их необходимо осветлять до остаточного  содержания взвешенных частиц 150-200 мг/дм³.

     Для очистки сточных вод мартеновской газоочистки применяют радиальные отстойники или открытые гидроциклоны без коагуляции и с коагуляцией. В системе оборотного водоснабжения рН воды обычно равно 3. Для защиты от коррозии конструкции системы выполняются кислотостойкими либо предусматривается обработка сточных вод известью для их нейтрализации.

     Количество  сточных вод, образующихся от мокрой очистки газов кислородных конвертеров, зависит от способа отвода и очистки  газов. Количество сточных вод от газоочисток одного 100-130 т конвертора составляет 200-300 м³/ч, а 250-400 т конвертера - 2000-4000 м³/ч. Конвертерный цех состоит из двух-трех агрегатов. Поэтому количество сточных вод от газоочисток современного конвертерного цеха достигает 4000-6000 м³/ч.

     Сточные воды от очистки конверторного газа загрязнены твердыми взвешенными частицами  и растворимыми химическими веществами. Среднее содержание взвешенных веществ составляет при выпуске стали - 5-8 г/дм³, полупродукта - 10-15 г/дм³.

     Сточные воды от газоочисток конвертерных цехов  следует классифицировать по трем категориям: со слабощелочной реакцией, обусловленной присутствием бикарбонатов; с гидратной щелочностью; с кислой реакцией воды. Кроме того, эти стоки характеризуются высокой временной жесткостью (увеличенной в 2-2.5 раза по сравнению с жесткостью исходной воды).

     При проектировании систем очистки необходимо предусмотреть улавливание крупных взвешенных частиц (более 500 мкм) из сточных вод перед их поступлением на очистные сооружения. Перед отводом сточных вод на очистные сооружения следует удалять диоксид углерода из воды, для чего предусматривается камера дегазации с каскадным потоком воды с принудительной вентиляцией для отвода СО₂ в атмосферу.

     Очистку сточных вод рекомендуется производить:

     - в открытых гидроциклонах для  газоочисток конвертерных цехов  с 100-130 т агрегатами и расходом  сточных вод 600-900 м³/ч;

     - в отстойниках с камерой флокуляции  для большегрузных конвертеров  (250-400 т), работающих по режиму  отвода газов без дожигания  оксида углерода с расходом  воды на цех 2000-4000 м³/ч;

     - в флокуляторах гидроциклонного  типа для конвертеров любой емкости.

     Выбор того или иного типа очистного  сооружения производится в зависимости  от технико-экономических показателей, наличия свободных производственных площадей и экологических факторов.