Технологические процессы производства стали

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ 

 

Сущность процесса

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными  материалами для производства стали  являются передельный чугун и  стальной лом (скрап).

Содержание  углерода и примесей в стали значительно  ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных  печах:

.

Одновременно  с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла  сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит . Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение . Оксид кальция – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает и переводит его в шлак:

.

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками .

Второй этап – кипение металлической ванны  – начинается по мере прогрева до более  высоких температур.

При повышении  температуры более интенсивно протекает  реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

.

Для окисления  углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают  кислород.

При реакции  оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам , а также газы, проникающие в пузырьки . Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали.

Также создаются  условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида ( ), который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция :

Образующееся  соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление стали заключается  в восстановлении оксида железа, растворённого  в жидком металле.

При плавке повышение  содержания кислорода в металле  необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее  раскисление осуществляется введением  в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

В результате раскисления  восстанавливается железо и образуются оксиды: , которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное  раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и  алюминий в измельчённом виде загружают  на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают  его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости  от степени раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь  получается при полном раскислении  в печи и ковше.

Кипящая сталь  раскислена в печи неполностью. Ее раскисление  продолжается в изложнице при  затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: ,

Образующийся  оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в  ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали  осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом  количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду  меньше, чем у железа ( ), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа ( ), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Мартеновский  процесс (1864-1865, Франция) в период до семидесятых годов XX века являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская  печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Температура факела пламени достигает 1800 ⁰C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных  печей – до 12 часов.

В зависимости  от состава шихты, используемой при  плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

- скрап-процесс,  при котором шихта состоит  из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах,  где нет доменных печей, но  много металлолома.

- скрап-рудный  процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке  преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее  количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах  с основной футеровкой.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.

В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием  серы и фосфора.

В мартеновских печах в нашей стране выплавляют до 20 % всей стали. Доля мартеновского способа производства стали в последние годы сократилась за счет развития кислородно-конвертерного и электросталеплавильного производства.

 

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты  в 1933-1934 – Мозговой.

В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах  в Линце и Донавице (Австрия) –  получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер  – сосуд грушевидной формы  из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 ⁰ для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами  кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для  наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

Кислород через  водоохдлаждаемую фурму проникает  в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание  со шлаком. Под фурмой развивается  температура 2400 ⁰C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

В кислородных  конвертерах выплавляют стали с  различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также  низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в  конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут.

Кислородно-конвертерный процесс наиболее высокопроизводительным способом выплавки стали. Его другие достоинства: простота устройства конвертера, отсутствие топлива, меньшие затраты  на строительство цехов.

Производство стали в электропечах. Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые  и индукционные электропечи.

Выплавка в  дуговых электрических печах  – главный способ производства высококачественных конструкционных, коррозионностойких и других сталей и сплавов. Более высокое по сравнению с мартеновской и конвертерной качество электростали объясняется ее более высокой чистотой по сере и фосфору и неметаллическим включениям, хорошей раскисляемостью.

Вместе с  этим электросталь стоит дороже, чем  мартеновская и конвертерная.

Применение  кислорода повышает производительность на 15-25 % и снижает расход электроэнергии на 10-15 %.

Преимуществами  индукционных печей по сравнению  с дуговыми является возможность выплавки сталей с очень низким содержанием углерода (так как нет науглероживания от электродов), очень малый угар легкоокисляющихся элементов; сталь характеризуется пониженным содержанием азота и высокой чистотой по неметаллическим включениям. Индукционные печи имеют высокую производительность и высокий -электрический к. п. д.

Недостатками  индукционных печей являются их малая  вместимость по сравнению с дуговыми печами, высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость основных тиглей (10-100 плавок).

 

 

ПРОИЗВОДСТВО  СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ 

 

Электрометаллургия  стали

 

Плавильные  электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными  агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры  тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность  создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Первая дуговая  сталеплавильная печь в России была установлена в 1910 г., а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургический завод с несколькими электропечами.

В основе превращения  электрической энергии в тепловую могут лежать процессы теплогенерации, происходящие:

1) при прохождении  электрического тока через газ;

2) при воздействии  электрического тока на магнитное  поле и создании вихревых токов  в металле;

3) при перемагничивании  и поляризации диэлектриков;

4) при прохождении  электрического тока через твердое  (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;

5) за счет  кинетической энергии электронов  среды, участвующей в процессе.

Обычно в  печах передача тепла происходит двухступенчато – от теплоносителя (электрической дуги и др.) к поверхности  материала и от поверхности внутрь его. Первая ступень соответствует так называемой внешней задаче, вторая – внутренней задаче.

В условиях внешней  задачи теплопередача осуществляется главным образом в результате теплового излучения и конвекции.