Производство стали

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей.

Металлы разделяют на несколько  групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.

Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам  железа. Эти сплавы образуют большую  группу чугунов и сталей.

Сталь - это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы - примесями, растворенными в железе. Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические (межзеренные) связи. В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05 - 0,50 %, но может достигать 2,14 %.   В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 - 0,6 %) и кремний (0,15 - 0,3 %). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д. 

Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

По применяемому основному сырью  или технологической схеме сталеплавильное  производство имеет два основных этапа развития: 1) прямое получение стали из железных руд так называемым сыродутным процессом, т.е. одноступенчатое производство по схеме железная руда - сталь; 2) получение стали путем рафинирования чугуна, т.е. двухступенчатое производство по схеме железная руда - чугун - сталь.

Развитие производства стали путем  рафинирования чугуна, обеспечивающее наибольший технический прогресс, в свою очередь имеет три важных этапа развития, на каждом из которых, как правило, использовалось несколько способов получения стали.

Первый этап - передел чугуна в сталь, получаемую в тестообразном состоянии в виде крицы (сварочного железа). Он начался с применением кричного процесса, на смену которому пришел пудлинговый процесс (1784 г., Англия).

Второй этап - передел чугуна в жидкую сталь без добавки или с добавкой лома (скрапа) в агрегатах периодического действия без применения кислородного дутья. Начало этого этапа связано с созданием бессемеровского процесса (1855 - 1860 гг., Англия). Дальнейшее его развитие привело к разработке мартеновского (1864 - 1865 гг., Франция), томасовского (1877 - 1879 гг., Англия) и электродугового (1900 г., Франция) процессов. Переход к получению стали в жидком состоянии позволил совершить скачок в интенсификации производства - в повышении производительности агрегатов и улучшении качества стали.

Третий этап - передел чугуна в жидкую сталь в агрегатах периодического действия с применением кислородного дутья. Это современный этап развития сталеплавильного производства, имеющий следующие особенности: внедрение в широкое использование кислородно-конвертерного процесса (1952 1953 гг., Австрия); применение кислорода для интенсификации мартеновского и электродугового процессов; широкое использование в целях повышения качества стали способов внеагрегатной (ковшовой) обработки жидкой стали - синтетическими шлаками или шлаковыми смесями, вакуумом, инертными газами в сочетании с микролегирующими порошками или без них, а также способов переплава стали в особых условиях (электрошлакового, вакуумно-дугового, электронно-лучевого, плазменно-дугового).

КОНВЕРТЕРНОЕ  ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс, предложенный и разработанный англичанином Г.Бессемером в 1856 - 1860 гг.; несколько позже - в 1878 г. - С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой.

Сущность конвертерных процессов  на воздушном дутье заключается  в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовском процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600^оС).

Плавка в бессемеровском конвертере

В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7 - 1,25 % Si; 0,5 - 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 - 1300 ^оС и продувают его воздухом в течение 10 -15 мин. За время продувки окисляется углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся окислов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислится до заданного содержания, продувку заканчивают, металл через горловину конвертера сливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей. Общая длительность плавки составляет 20 -30 мин; поскольку шлак кислый, при плавке не удаляется сера и фосфор.

Плавка в томасовском  конвертере

В конвертер для образования  основного шлака загружают известь  (12 - 18 % от массы металла), заливают томасовский чугун (0,2 - 0,6 % Si; 0,8 - 1,3 % Mn; 2,8 - 3,3 % C; 1,6 - 2,0 % P; <0,08 % S) имеющий температуру 1180 - 1250 ^оС, и ведут продувку воздухом в течение 16 - 22 мин. За это время окисляется углерод, кремний и марганец; из продуктов окисления составляющих чугуна и СаО извести формируется основной шлак и в конце продувки в этот шлак частично удаляются фосфор и сера.

Продувку  заканчивают, когда содержание фосфора  в металле снизится до 0,05 - 0,07 %, после  чего металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.

Общая длительность плавки составляет 25 -40 мин.

МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной  печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном из заводов Франции выпустил первую плавку.

В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом  и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение.

Разновидности мартеновского  процесса

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун скрап любого состава и в любой пропорции.

В зависимости  от состава шихты мартеновский процесс  делят на несколько разновидностей:

а) скрап-процесс - процесс, при котором  основной составной частью шихты  является стальной скрап. Скрап-процесс  обычно применяют в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в  составе которых нет доменных печей и которые расположены в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 - 45 %) чугуна.

б) скрап-рудный процесс - передел в мартеновских печах шихты, твердая составляющая которой - скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 - 75 %) - жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным.

В зависимости от состава шлака  и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» и «кислым».

Основной мартеновский процесс

Ход плавки при скрап-процессе. В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии в «чушках». В большинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале заливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В конце концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находящегося в металле углерода: начинается период доводки и кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой, для этого в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк или известь.

Во  время завалки и плавления  окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца и некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак. Общее количество шлака после расплавления составляет 8 - 10 % от массы металла. В таком основном шлаке к моменту расплавления находится и некоторое количество фосфора и серы, удаленных из металла за время плавления шихты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5 - 6 ч.

Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии. Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением или уменьшением расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды.

Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк.

На под (Подина печи) с помощью завалочных машин заваливают железную руду и известняк, после некоторого подогрева подают скрап. После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железной руды.

Шлак образуется в очень большом  количестве. Образующийся в результате окисления углерода оксид углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Его называют «сбегающим» первичным шлаком. Он составляет 8 - 10 % от массы металла.

За период плавления полностью  окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода.

Для ускорения процесса плавления  и окисления примесей вскоре после  окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Поскольку при продувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет подаваемого газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2 - 3 раза, соответственно уменьшается расход топлива.

Состав  шлака, сформировавшегося к моменту  расплавления и после него, оказывается почти таким же, как при скрап-процессе. Несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других элементов; объясняется это тем, что значительное количество образующихся оксидов уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла.

Проведение периода кипения (доводки). Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап- и скрап-рудном процессах практически не различаются, период доводки протекает в обоих случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Продолжительность периода доводки 1 - 3ч.

Кислый мартеновский процесс

Кислым мартеновским процессом  называют процесс выплавки стали  в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~95 % SiO₂). В первых мартеновских печах подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого песка. Мартеновский процесс существовал как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере определили дальнейшее развитие мартеновского производства и начал развиваться основной процесс.

Требования к сырым материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в шлак необходимо, чтобы в печи был основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В связи с этим к шихте и топливу предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025 % фосфора и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом.