Способи виробництва сталі (мартенівський, бесемерівський, томасівський- конвектори

ПЛАН

1. Виробництво  сталі в конверторах

2. Виробництво  сталі в мартенівських печах

3. Виробництво  сталі в електричних печах

4. Нові методи  виробництва й обробки сталі

5. Список використаної  літератури

У сталі в порівнянні з чавуном міститься менше  вуглецю, кремнію, сірки і фосфору. Для одержання сталі з чавуна необхідно знизити концентрацію речовин шляхом окисної плавки.

У сучасній металургійній  промисловості сталь виплавляють  в основному в трьох агрегатах: конвекторах, мартенівських і електричних  печах.

1. Виробництво сталі в конверторах

Конвертор являє собою  судину грушоподібної форми. Верхню частину називають чи козирком шоломом. Вона має горловину, через яку  рідкий чавун і зливають сталь  і шлак. Середня частина має  циліндричну форму. У нижній частині  є приставне днище, що у міру зносу заміняють новим. До днища приєднана повітряна коробка, у яку надходить стиснене повітря.

Ємність сучасних конвекторів  дорівнює 60 – 100 т. і більш, а тиск повітряного дуття 0,3-1,35 Мн/м. Кількість  повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів.

Перед заливанням чавуна конвектор повертають до горизонтального  положення, при якому отвору фурм виявляються вище рівня залитого чавуна. Потім його повільно повертають у вертикальне положення й  одночасно подають дуття, що не дозволяє металу проникати через отвори фурм у повітряну коробку. У процесі продувки повітрям рідкого чавуна вигорають кремній, марганець, вуглець і частково залізо.

При досягненні необхідної концентрації вуглецю конвектор  повертають у горизонтальне положення і припиняють подачу повітря. Готовий метал розкислють і виливають у ківш.

Бесемерівський  процес. У конвертор заливають рідкий чавун з досить високим змістом кремнію (до 2,25% і вище), марганцю (0,6-0,9%), і мінімальною кількістю сірки і фосфору.

По характері реакції, що відбувається, бесемерівський процес можна розбити на три періоди. Перший період починається після  пуску дуття в конвертор і  продовжується 3-6 хв. З горловини  конвертора разом з газами вилітають  дрібні краплі рідкого чавуна з утворенням іскор. У цей період окисляються кремній, марганець і частково заліза по реакціях:

Si + O2 = SiO2,

2Mn + O2 = 2MnO,

2Fe + O2 = 2FeO.

Закис заліза, що утвориться, частково розчиняється в рідкому металі, сприяючи подальшому окислюванню кремнію і марганцю. Ці реакції протікають з виділенням великої кількості тепла, що викликає розігрів металу. Шлак виходить кислим (40-50% Si2).

Другий період починається  після майже повного вигоряння  кремнію і марганцю. Рідкий метал  досить добре розігрітий, що створюються сприятливі умови для окислювання вуглецю по реакції C + Fe = Fe + CO, що протікає з поглинанням тепла. Горіння вуглецю продовжується 8-10 хв і супроводжується деяким зниженням температури рідкого металу. Окис вуглецю, що утвориться, згоряє на повітрі. Над горловиною конвектора з'являється яскраве полум'я.

В міру зниження змісту вуглецю  в металі полум'я над горловиною зменшується і починається третій період. Він відрізняється від  попередніх періодів появою над горловиною конвертора бурого диму. Це показує, що з чавуна майже цілком вигоріли кремній, марганець і вуглець і почалося дуже сильне окислювання заліза. Третій період продовжується не більш 2 – 3 хв, після чого конвектор перевертають у горизонтальне положення й у ванну вводять розкислювачі (феромарганець, ферросиліцій чи алюміній) для зниження змісту кисню в металі. У металі відбуваються реакції

FeO + Mn = MnO + Fe,

2FeO + Si = SiO2 + Fe,

3FeO + 2Al = Al2O3 + 3Fe.

Готову сталь виливають  з конвектора в ківш, а потім  направляють на розливання.

Щоб одержати сталь із заздалегідь заданою кількістю вуглецю (наприклад, 0,4 – 0,7% З), продувку металу припиняють у той момент, коли з нього вуглець ще не вигорів, чи можна допустити повне вигоряння вуглецю, а потім додати визначена кількість чи чавуна утримуючих вуглець визначена кількість феросплавів.

Томасівський  процес. У конвертор з основний футеровкой спочатку завантажують свежеобожженную вапно, а потім заливають чавун, що містить 1,6-2,0% Р, до 0,6%Si і до 0,8% S. У томасівському конвекторі утвориться вапняний шлак, необхідний для витягу і зв'язування фосфору. Заповнення конвектора рідким чавуном, підйом конвертора, і пуск дуття відбуваються також як і в бесемерівському процесі.

У перший період продувки в конвекторі окисляється залізо, кремній, марганець і формується вапняний шлак. У цей період температура металу трохи підвищується.

В другий період продувки вигорає вуглець, що супроводжується  деяким зниженням температури металу. Коли зміст вуглецю в металі досягне  менш 0,1%, полум'я зменшиться і зникне. Настає третій період, вчасно якого інтенсивно окисляється фосфор

2P + 5Fe + 4Ca = (Ca)4*P2O5 + 5Fe.

У результаті окислювання  фосфор переходить з металу в шлак, оскільки тетрафосфат кальцію може розчинитися тільки в ньому. Томасівські  шлаки містять 16 – 24% Р2ПРО5.

Дана реакція супроводжується  виділенням значної кількості тепла, за рахунок якого відбувається більш  різке підвищення температури металу.

Перед розкисленням металу з конвертора необхідно видалити шлак, тому що містяться в раскислителях  вуглець, кремній, марганець будуть відновлювати фосфор зі шлаку, і переводити його в метал. Томасівську сталь застосовують для виготовлення дахового заліза, дроту і сортового прокату.

Киснево-конверторний процес. Для інтенсифікації бесемерівського  і томасівського процесів в останні роки почали застосовувати збагачене киснем дуття.

При бесемерівському  процесі збагачення дуття киснем дозволяє скоротити тривалість продувки і збільшити продуктивність конвертора і частку сталевого скрапу, подаваного в металеву ванну в процесі  плавки. Головним достоїнством кисневого дуття є зниження змісту азоту в сталі з 0,012-0,025(при повітряному дутті) до 0,008-0,004%(при кисневому дутті). Уведення до складу дуття суміші кисню з водяною чи парою вуглекислим газом дозволяє підвищити якість бесемерівської сталі, до якості сталі, виплавлюваної в мартенівських і електричних печах.

Великий інтерес представляє  використання чистого кисню для  виплавки чавуна в глуходонних конверторах  зверху за допомогою водоохлаждаемих  фурм.

Виробництво сталі киснево-конверторним способом з кожним роком збільшується.

2. Виробництво  сталі в мартенівських печах

У мартенівських печах  спалюють чи мазут попередньо підігріті  гази з використанням гарячого дуття.

Пекти має робоче (плавильне) простір і дві пари регенераторів(повітряний і газовий) для підігріву повітря і газу. Гази і повітря проходять через нагріту до 1200( З вогнетривку насадку відповідних регенераторів і нагріваються до 1000-1200( С. Потім по вертикальних каналах направляються в голівку печі, де змішуються і згоряють, у результаті чого температура під зводом досягає 1680-1750( С. Продукти горіння направляються з робочого простору печі в ліву пару регенераторів і нагрівають їхню вогнетривку насадку, потім надходять у казани-утилізатори і димар. Коли вогнетривка насадка правої пари регенераторів остигне, остигне так що не зможе нагрівати минаючі через них гази і повітря до 1100( З, ліва пара регенераторів нагрівається приблизно до 1200-1300( С. У цей момент переключають напрямок руху газів і повітря. Це забезпечує безупинне надходження в піч підігрітих газів і повітря.

Більшість мартенівських  печей опалюють сумішшю доменного, коксувального і генераторного  газів. Також застосовують і природний  газ. Мартенівська піч, що працює на мазуті, має генератори тільки для нагрівання повітря.

Шихтові матеріали (скрапи, чавун, флюси) завантажують у піч  наповненою машиною через завалочні  вікна. Розігрів шихти, рас плавлення  металу і шлаку в печі відбувається в плавильному просторі при контакті матеріалів зі смолоскипом розпечених газів. Готовий метал випускають з печі через отвори, розташовані в найнижчої частини подини. На час плавки випускний отвір забивають вогнетривкою глиною.

Процес плавки в мартенівських  печах може бути кислим чи основної. При кислому процесі вогнетривка  кладка печі виконана з динасів ого цегли. Верхні частини подини наварюють кварцовим піском і ремонтують після кожної плавки. У процесі плавці одержують кислий шлак з великим змістом кремнезему (42-58%).

При основному процесі  плавки подину і стінки печі викладають з магнезитової цегли, а звід – з динасів ого чи хромомагнезитової цегли. Верхні шари подини наварюють магнезитовим чи доломітовим порошком і ремонтують після кожної плавки. У процесі плавки одержують кислий шлак з великим змістом 54 – 56% СаО.

Основний мартенівський процес. Перед початком плавки визначають кількість вихідних матеріалів (чушковий чавун, сталевий скрап, вапняк, залізна руда) і послідовність їхнього завантаження в піч. За допомогою заливальної машини мульда (спеціальна коробка) із шахтою вводиться в плавильний простір печі і перевертається, у результаті чого шихта висипається на подину печі. Спочатку завантажують дрібний скрап, потім більш великий і на нього кускове вапно (3 – 5 % маси металу). Після прогріву завантажених матеріалів подають сталевий брухт, що залишився, і граничний чавун двома трьома порціями.

Цей порядок завантаження матеріалів дозволяє їх швидко прогріти і розплавити. Тривалість завантаження шихти залежить від ємності печі, характеру шихти, теплової потужності печі і складає 1,5 – 3 ч.

У період завантаження і  плавлення шихти відбувається часткова окислювання заліза і фосфору  майже повне окислювання кремнію  і марганцю й утворення первинного шлаку. Зазначені елементи окисляються  спочатку за рахунок кисню грубних  газів і руди, а потім за рахунок закису заліза розчиненої в шлаку. Первинний шлак формується при розплавлюванні й окислюванні металу і містить 10 –15% Fe, 35 –45% Ca, 13 – 17% Mn. Після утворення шлаку рідкий метал виявляється ізольованим від прямого контакту з газами, і окислювання домішок відбувається під шаром шлаку. Кисень у цих умовах переноситься закисом заліза, що розчиняється в металі і шлаку. Збільшення концентрації закису заліза в шлаку приводить до зростання її концентрації в металі.

Для більш інтенсивного харчування металевої ванни киснем у шлак уводять залізну руду. Кисень, розчинений у металі, окисляє кремній, марганець, фосфор і вуглець по реакціях, розглянутим вище.

До моменту рас плавлення  всієї шихти значна частина фосфору  переходить у шлак, тому що останній містить достатня кількість закису заліза і сповісти. Щоб уникнути зворотного переходу фосфору в метал перед початком кипіння ванни 40 – 50% первинного шлаку з печі.

Після скачивания первинного шлаку в піч завантажують вапно  для утворення нового і більш основного шлаку. Теплове навантаження печі збільшується, для того щоб тугоплавке вапно швидше перейшло в шлак, а температура металевої ванни підвищилися. Через якийсь час 15 – 20 хв у піч завантажують залізну руду, що збільшує зміст окислів заліза в шлаку, і викликає в металі реакцію окислювання вуглецю

[C] + (Fe) = Coгаз.

Утвориться окис вуглецю  виділяється з металу у виді пухирців, створюючи враження його кипіння, що сприяє перемішуванню металу, виділення  металевих включень і розчинених газів, а також рівномірному розподілу температури по глибині ванни. Для гарного кипіння ванни необхідно підводити тепло, тому що дана реакція супроводжується поглинанням тепла. Тривалість періоду кипіння ванни залежить від ємності печі і марки сталі, і знаходиться 1,25 – 2,5 ч і більш.

Звичайно залізну руду додають у піч у першу періоду  кипіння, називаного поліруванням металу. Швидкість окислювання вуглецю  в цей період у сучасних мартенівських  печах великої ємності дорівнює 0,3 – 0,4% у годину.

Протягом другої половини періоду кипіння залізну руду у ванну не подають. Метал кипить дрібними пухирцями за рахунок накопичених у шлаку окислів заліза. Швидкість вигоряння вуглецю в цей період дорівнює 0,15 – 0,25% у годину. У період кипіння, стежачи за основностью і жидкотекучестью шлаку.

Коли зміст вуглецю  в металі виявиться трохи нижче, ніж потрібно для готової сталі, починається остання стадія плавкі – період доведення і розкислення  металу. У піч уводять визначена  кількість кускового феромарганцю (12% Mn), а потім через 10 – 15 хв ферросилиций (12-16% Si). Марганець і кремній взаємодіють з розчиненим у металі киснем, у результаті чого реакція окислювання вуглецю припиняється. Зовнішньою ознакою звільнення металу від кисню є припинення виділення пухирців окису вуглецю на поверхні шлаку.

При основному процесі плавки відбувається часткове видалення сірки з металу по реакції

[Fe] + (Ca) = (Ca) + (Fe).

Для цього необхідні висока температура  і достатня основность шлаку.

Кислий мартенівський процес. Цей  процес складається з тих же періодів, що й основний. Шихту застосовують дуже чисту по фосфорі і сірці. Порозумівається це тим, що кислий шлак, що утвориться, не може затримувати зазначені шкідливі домішки.

Печі звичайно працюють на твердій шихті. Кількість скрапу дорівнює 30 – 50% маси металевої шихти. У шихті допускається не більш 0,5% Si. Залізну руду в піч подавати не можна, тому що вона може взаємодіяти  з кремнеземом подини і руйнувати  її в результаті утворення легкоплавкого з'єднання 2Fe*Si2. Для одержання первинного шлаку в піч завантажують деяка кількість чи кварциту мартенівського шлаку. Після цього шихта нагрівається грубними газами; залізо, кремній, марганець окисляються, їхні окисли сплавляються з флюсами й утворять кислий шлак, що містить до 40 –50 % Si2. У цьому шлаку велика частина закису заліза знаходиться в силікатній формі, що утрудняє його перехід зі шлаку в метал. Кипіння ванною при кислому процесі починається пізніше, ніж при основному, і відбувається повільніше навіть при гарному нагріванні металу. Крім того, кислі шлаки мають підвищену в'язкість, що негативно позначається на вигорянні вуглецю.