Способы производства стали

Оглавление 
 

 

Введение 

     Железо  и его сплавы являются основой  современной технологии и техники. Еще в середине 70х годов прошлого столетия академик Патон Б.Е. назвал двадцатый век «железным», не согласиться с ним невозможно. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. 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.

     Современный высокий уровень металлургического  производства основан на глубоких теоретических  исследованиях, крупных открытиях, сделанных в разных странах мира, и богатом практическом опыте.

     Целью реферативной работы является изучение современных способов производства стали.

     Структурно  работа представлена оглавлением, введением, основной частью, заключением и списком  литературы.

 

      1 Общие представления  о производстве  стали 

     Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода. Кроме углерода, сталь всегда содержит в небольших количествах постоянные примеси: марганец (до 0,8 %), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %), что связано с особенностями технологии ее выплавки. В технике широко применяют также легированные стали, в состав которых для улучшения качества дополнительно вводят хром, никель и другие элементы. Существует свыше 1500 марок углеродистых и легированных сталей—конструкционных, инструментальных, нержавеющих и т. д. [2, c.117]

     Разработано несколько способов получения стали  из чугуна.

     Первыми способами получения стали из чугуна были кричный (12- 13 века), пудлинговый (конец 18 века), бессемеровский (1856 г.), томассовский. Их недостатками являются невысокое качество стали и ограниченность сырьевой базы, так как можно было использовать лишь некоторые чугуны (с определенным содержанием кремния, серы и фосфора).

     Примерно  с начала 20 столетия массу стали выплавляли мартеновским способом (открытие 1864 г) - менее производительным, но позволяющим выплавлять более качественную сталь.

     В 50-х годах 20 столетия появился кислородно - конвертерный процесс.

     Одним из прогрессивных способов получения  сложных и высоколегированных сталей является электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционных печах.

     Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а также путем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой  плавки.

     С момента изобретения стали, менялись и совершенствовались способы ее производства. В настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали. К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства (или плавления) стали [1, c.56]. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ.

 

      2 Кислородно-конвертерный  способ 

     Первое  использование кислородно-конвертерного  способа приходится на пятидесятые  годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров воздуха. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

     Для осуществления этого метода необходим  конвертер (рис.1). Подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемую фурму под давлением. В данном случае, процесс окисления является наиболее значимым. Окисление чугуна происходит под воздействием дутья. В результате окисления выделяется тепло, что способствует снижению примесей и повышению температуры металла. далее происходит так называемое раскисление металла. 

      

     Рисунок 1. Схема кислородного конвертора [3, c.214] 
 

     Обозначения:

     1 - глуходонный конвертор; 2 — фурма для вдувания кислорода; 3 — летка для слива стали.

     Его грушевидный корпус (кожух) сварен из листовой стали, внутри он футерован  основным огнеупорным материалом (у кожуха магнезит или хромомагнезит, внутренний- рабочий слой – доломитосмоляная масса или кирпич).

     Конвертор устанавливают на опорных станинах при помощи цапф, и он может поворачиваться вокруг оси, что необходимо для заливки  чугуна и других технологических операций (рис. 2).

      

     Рисунок 2. Технологические операции кислородно-конверторной плавки

     [3, c.216] 

     Обозначения:

     1 - загрузка стального скрапа; 2 - заливка  расплавленного чугуна; 3 - продувка  кислородом; 4 - загрузка извести  и железной руды с началом продувки и по ходу плавки; 5 - выпуск металла; 6 - выпуск шлака.

     Вместимость современных конвертеров достигает 250 - 400 т.

     Перед старыми способами получения  стали бессемеровский способ имел два  неоспоримых преимущества - очень  высокую производительность, отсутствие потребности в топливе. Недостатком бессемеровского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.

     Кислород  вдувают в конвертер вертикальной трубчатой водоохлаждаемой фурмой, опускаемой в горловину конвертера, но не доходящей до уровня металла  на 1200—2000 мм. Таким образом, кислород не продувается через слой металла (как воздух в старых конвертерных процессах), а подается на поверхность залитого в конвертер металла. Это дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также не только вводить в конвертер жидкий металл, но и добавлять к нему для охлаждения скрап или железную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30 % массы металла).

 

      3 Мартеновский способ 

     В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная  отражательная печь. Для того чтобы  нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Обязательное условие – топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 – 6 часов. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

     Мартеновская  печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью.  

      

     Рисунок 3. Схема мартеновской печи [5, c.134] 
 

     Обозначения:

     1, 2 - газовые и воздушные регенераторы; 3,4 -газовые и воздушные каналы в головке печи; 5 - рабочее пространство печи; 6 -подина печи; 7 - свод печи; 8 -завалочные окна

     В ее плавильном пространстве сжигается  газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения  стали в расплавленном состоянии  обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

     Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной  и откосами; сверху - сводом; с боков - передней и задней стенками; с торцов - головками. В передней стенке расположены  окна, через которые в печь загружают исходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробы металла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами.

     Для более полного использования  тепла отходящих газов в системе  газоотводов установлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненных насадкой из огеупорного кирпича.

     Принцип регенерации тепла заключается  в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время  нагревается до 1250 – 1300 ^оС отходящими из печи газами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100 - 1200 ^оС. В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов до установленной температуры снова происходит автоматическое переключение клапанов.

     Основными материалами для выплавки стали  являются передельный чугун марок  М1, М2, М3 и стальной скрап.

     Стальной  скрап – отходы при прокатке (до 10-12 % от массы слитка), при ковке и штамповке (грат, обсечки и др), стружка – при обработке на металлорежущих станках. В качестве скрапа широко используют также пришедшие в негодность различные стальные изделия, детали и т.п. Стружку и мелкий скрап до загрузки в мартеновскую печь прессуют, превращая в пакеты [4, c.126].

     При выплавке стали используют известняк (флюс), железную руду и другие добавки. Для раскисления и легирования  применяют ферромарганец и другие сплавы.

 

      4 Электросталеплавильный  и индукционный способ 

     В результате электросталеплавильного  способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных  электрических печах. Основной принцип  электросталеплавильного способа  производства стали – использование  электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов.

     Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые  образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор. Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговая сварка.

     Остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После такой выплавки, сталь дополнительно переплавляют вакуумным дуговым переплавом, что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях.

     Этот  процесс является более совершенным, так как легко регулируется тепловой процесс, можно создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум, легче осуществляется легирование стали. В дуговых печах выплавляют наиболее качественные конструкционные, высоколегированные, нержавеющие, жаропрочные и другие стали.

     Для производства стали наиболее часто  применяют дуговые трех-фазные электрические печи с вертикальными графитированными электродами и непроводящим подом. Ток, нагревающий ванну в этих печах, проходит по цепи электрод—дуга—шлак—металл—шлак—дуга— электрод. Вместимость таких печей достигает 400 т.