Производство стали

Вступ

Залізо і його сплави є основою сучасної технології і техніки. У ряді конструкційних металів залізо стоїть на першому  місці і не поступиться йому ще довгий час, незважаючи на те, що кольорові  метали, полімерні і керамічні  матеріали знаходять все більше застосування. Залізо і його сплави складають більше 90% всіх металів, що застосовуються в сучасному виробництві. Найважливішим сплавом заліза є  сталь.

Сталь (криця)— сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю і домішками (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази). 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.  

1. Історія виробництва  сталі

Сталь отримано з чавуну у II ст. до Р.Х. китайськими металургами. Спосіб отримав назву “сто очищувань” і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавленого чавуну при його перемішуванні. Це приводило до зменшення частки вуглецю в металі й наближенні його до властивостей сталі.

Винахід сталі згадується у трактаті “Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.).

У Європі подібний спосіб пудлінгування був освоєний лише у другій половині ХVIII ст. (патенти братів Томаса і Джорджа Кранеджі та Г. Корта). 

2. Загальні відомості  про виробництво  сталі

Суть процесу переробки  чавуну на сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок — фосфору і сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.

Залежно від способу  окиснення вуглецю існують різні  способи переробки чавуну на сталь:

• конверторний;
• мартенівський;
• електротермічний.

В Україні найбільш поширений мартенівський  спосіб, за яким одержують понад 80 % світової виробки сталі. Україна станом на 2008 р. займає п’яте місце у світі за обсягами експорту сталі, 76,46 %, що виробляється на світовому ринку, припадає на десять провідних країн. 
 
 

3. Класифікація сталі  та її властивості

За  хімічним складом сталі поділяють на дві групи:

• вуглецеві:
1. маловуглецеві (до 0,25% С) - м'яка сталь, або технічне залізо
2. середньовуглецеві (0,3...0,55% С) тверда сталь
3. високовуглецеві (0,6...0,85% С) тверда сталь
• леговані (залежно від того, які елементи введено до їхнього складу):
1. хромисті
2. марганцевисті
3. хроммарганцевисті
4. хромнікелеві

За  призначенням:

• конструкційні
• інструментальні
• особливих властивостей

За  якістю:

(Якість  сталі залежить  від металургійного  процесу виробництва;  якість визначається  вмістом в сталі  газів кисню, водню,  азоту і шкідливих  домішок (сірка  і фосфор)

• звичайної якості
• якісні
• високоякісні
• особливовисокоякісні

За  способом розкиснення:

• спокійні
• напівспокійні
• киплячі

(Кипляча сталь — не повністю розкиснена в печі. Виділення газів відбувається й при затвердінні зливка, тому в ньому утворюється велика кількість розосередженних газових бульок. Вони зникають при подальщій гарячій прокатці. Найдешевша.) 

Властивості сталей залежать від  їх складу і структури, які формуються присутністю  та процентним вмістом  наступних складових:

• Вуглець — складова, із збільшенням вмісту якої у сталі, збільшується її твердість і міцність, при цьому пластичність зменшується.
• Кремній і марганець - у межах (0,5...0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не роблять.
• Сірка є шкідливою домішкою, яка обумовлює червоноламкість матеріалу при обробці тиском з підігріванням. Крім цього, сірка зменшує пластичність і міцність, стійкість до зношування та корозійну стійкість.
• Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при понижених температурах).
• Ферит — залізо з об'ємноцентрованою кристалічною ґраткою і сплави на його основі є фазою м'якою і пластичною.
• Цементит — карбід заліза, надає сталі твердості та крихкості.
• Перліт — евтектоїдна суміш двох фаз — фериту і цементиту, (містить 1/8 цементиту) і тому має підвищену міцність і твердість порівняно з феритом.

Тому  доевтектоїдні сталі набагато еластичніші, ніж заевтектоїдні. 

4. Виробництво сталі  в конверторах

Залежно від матеріалу футеровки печі конверторний спосіб поділяють на два види:

• бесемерівський;
• томасівський.

Для інтенсифікації бесемерівського і томасівського процесів в останні роки почали застосовувати збагачене киснем дуття – киснево-конверторний спосіб.  

4.1 Бесемерівський спосіб  виробництва сталі 

Бесемерівським  способом переробляють чавуни, які містять  мало фосфору і  сірки й багаті на силіцій (не менше 2 %).

Генрі Бесемер – засновник  сталеплавного виробництва

• При продуванні кисню спочатку окиснюється силіцій з виділенням значної кількості тепла. Внаслідок цього початкова температура чавуну приблизно з 1300 °C швидко піднімається до 1500—1600°С. Вигоряння 1 % Si обумовлює підвищення температури на 200 °C.
• Близько 1500 °C починається інтенсивне вигоряння вуглецю. Разом з ним інтенсивно окиснюється й залізо, особливо під кінець вигоряння силіцію і вуглецю.
• Монооксид заліза FeO, що утворюється, добре розчиняється в розплавленому чавуні і частково переходить у сталь, а частково реагує з SiO₂ й у вигляді силікату заліза FeSiO₃ переходить у шлак.
• Фосфор повністю переходить з чавуну в сталь, бо P₂O₅ при надлишку SiO₂ не може реагувати з основними оксидами, оскільки SiO₂ з останніми реагує більш енергійно. Тому фосфористі чавуни переробляти в сталь цим способом не можна.
• Усі процеси в конверторі йдуть швидко — протягом 10— 20 хвилин. При продуванні повітря, збагаченого киснем, процеси прискорюються.
• Монооксид вуглецю CO, що утворюється при вигорянні вуглецю, пробулькуючи вгору, згоряє там, утворюючи над горловиною конвертора факел світлого полум'я, який в міру вигоряння вуглецю зменшується, а потім зовсім зникає, що і служить ознакою закінчення процесу.
• Одержувана при цьому сталь містить значні кількості розчиненого монооксиду заліза FeO, який сильно знижує якість сталі. Тому перед розливною сталь треба обов'язково розкиснювати за допомогою різних розкисників — феросиліцію, феромангану або алюмінію.
• Монооксид мангана MnO як основний оксид реагує з SiO₂ і утворює силікат мангана MnSiO₃, який переходить у шлак.
• Оксид алюмінію як нерозчинна при цих умовах речовина теж спливає наверх і переходить у шлак.

 

Незважаючи  на простоту і велику продуктивність, бесемерівський спосіб тепер не досить поширений, оскільки він має ряд  істотних недоліків.

Так, чавун для  бесемерівського способу повинен  бути з найменшим вмістом фосфору  і сірки, що далеко не завжди можливо. При цьому способі відбувається дуже велике вигоряння металу, і  вихід сталі становить лише 90 % від маси чавуну, а також витрачається багато розкисників. Серйозним недоліком є неможливість регулювання хімічного складу сталі.

Бесемерівська сталь містить  звичайно менше 0,2 % вуглецю і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, болтів, дахового заліза тощо. 
 
 
 

4.2 Томасівський спосіб  виробництва сталі

Томасівським  способом переробляють чавун з великим  вмістом фосфору (до 2 % і більше).

Сідней  Томас вперше очистив  чавун від високого вмісту фосфору

Томасівським  способом переробляють чавун з великим  вмістом фосфору (до 2 % і більше).

• Основна відмінність цього способу від бесемерівського полягає в тому, що футеровку конвертора роблять з оксидів магнію і кальцію (які одержують з доломіту MgCO₃ • CaCO₃). Крім того, до чавуну додають ще до 15 % CaO. Внаслідок цього шлакоутворюючі речовини містять значний надлишок оксидів з основними властивостями.
• У цих умовах фосфатний ангідрид P₂O₅, який виникає при згорянні фосфору, взаємодіє з надлишком CaO з утворенням фосфату кальцію, що переходить у шлак.

Реакція горіння фосфору  є одним з головних джерел тепла при  цьому способі. При згорянні 1 % фосфору температура конвертора піднімається на 150 °C.

• Сірка виділяється в шлак у вигляді нерозчинного в розплавленій сталі сульфіду кальцію CaS, який утворюється внаслідок взаємодії розчинного FeS з CaO за реакцією.
• Усі останні процеси відбуваються так само, як і при бессемерівському способі.

Недоліки  томасівського способу  такі ж, як і бессемерівського. Томасівська сталь також маловуглецева і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, дахового заліза тощо. 

4.3 Киснево-конверторний  спосіб виробництва  сталі 

Для інтенсифікації бесемерівського і томасівського  процесів в останні роки почали застосовувати  збагачене киснем дуття.

Киснево-конверторний спосіб оснований  на продувці розплавленого  чавуну киснем, який окиснює домішки, які містяться  в чавуні.

Основний  агрегат – кисневий конвертор, що являє собою стальну посудину грушоподібної форми, яка футерована вогнетривкою цеглою.

Конвертор спирається на дві цапфи, які підтримують  його і дозволяють повертати навколо  горизонтальної осі. Подача кисню під  тиском 0,8 – 1,2 МПа здійснюється по фурмі, що охолоджується водою.

• Перед початком процесу в конвертор завантажують залізну руду, стальний брухт, вапно і заливають рідкий чавун.
• В конвертор опускають фурму і починають продувку киснем. Кисневий струмінь при попаданні в рідкий чавун насамперед окиснює залізо з утворенням його закису (FeO):
• Закис заліза частково переходить у шлак, а частково розчиняється в рідкому металі, що сприяє окисненню інших складових чавуну. Вигоряння вуглецю починається з перших хвилин продувки:
• Водночас з ним окиснюються марганець і сицілій:
• Для видалення фосфору в шлак його необхідно зв’язати з киснем в фосфорний ангідрит (Р₂О₅). Ошлакування фосфору здійснюється доданням флюсу – вапна:
• Крім того, у розплаві протікають реакції прямого відновлення заліза:
• По мірі вигоряння вуглецю й інших елементів утворюється надмірна кількість тепла, аж до руйнування футерівки конвертора, перегріву металу і, як наслідок цього, до підвищеного угару металу і погіршення якості сталі. Для охолодження розплаву в нього вводять охолоджуючі добавки: залізну руду, стальний брухт.
• При доведенні вмісту вуглецю до заданого дуття відключають і сталь виливають з конвертора в ківш. Однак закис заліза, що утворився при плавці і залишився у сталі додає їй крихкості і знижує міцність. Щоб видалити цю шкідливу домішку сталь розкиснюють.
• У ківш зі сталлю вводять дрібні грудки розкиснювачів (феросиліцій, феромарганець, алюміній і ін.) – хімічних елементів, що більше активні до кисню (оксиґену) ніж залізо. Розкиснювачі зв’язують в оксиди силіцій і марганець, що легко спливають в шлак, а сталь при цьому звільняється від розчиненого в ній кисню:
• Після розкиснення сталь розливають по формах (виливницях), де вона застигає у вигляді злитків.

В кисневих конверторах  виплавляють вуглецеві  і низьколеговані сталі. Киснево-конверторний спосіб – найбільш продуктивний (тривалість плавки – 50-60 хв.).

Процес не потребує палива (використовується фізичне тепло  рідкого чавуну і екзотермічних  реакцій вигоряння домішок). Але  при цьому способі вихід готового металу порівняно невеликий (90-92 % від вихідного) і ним можна переробляти тільки невелику кількість металобрухту.