Способы выплавки стали

Способы производства стали

Технологический процесс производства углеродистой стали можно разделить на два этапа. Сначала из руды выплавляется чугун, который на следующем этапе перерабатывается в сталь. При сокращении в расплавленном чугуне вкраплений углерода и иных примесей, которые в процессе плавления сгорают или отделяются в форме шлака. В качестве исходного сырья для изготовления стали используется чугун, металлолом, железные руды, также в расплавленный металл могут быть добавлены флюсы и ферросплавы. Существуют три принципиально отличающихся технологии выпуска: электрическое плавление, конвертерный метод и плавка в мартеновских печах, последний способ на сегодняшний день считается наиболее эффективным и распространенным, а производимая сталь по своему качеству выше, чем при конверторной плавке.

Мартеновский способ.

Масса загрузки мартеновских печей доходит до тысячи тонн, внутреннее пространство выполняется в виде камеры, вытянутой по горизонтальной оси и обкладывается специальным выдерживающим высокую температуру кирпичом. В верхнем отделении проложены каналы, связывающие камеру с теплообменными устройствами (регенераторами). Нижняя часть конструкции, имеет форму ванны и называется подом. Для усиления эффекта в регенераторах производится подогрев газа. В мартеновской печи плавится твердый или жидкий чугун с добавлением железной руды или стального металлолома. Углерод сгорает под воздействием высокой температуры, окисляющиеся под воздействием кислородного дутья примеси преобразуются в шлак и удаляются с поверхности расплавленного металла, сера удаляется при помощи содержащего известь флюса. За время плавления, занимающее от четырех до восьми часов, имеется возможность добавления в состав металла дополнительных компонентов, для получения на выходе легированной стали. В процессе плавления производится отбор образцов металла для химического анализа, при получении желаемых параметров расплавленная сталь выпускается в ковш, откуда разливается формам. Из стали произведенной по этому методу производят монорельсовые и подкрановые балки, фермы мостов и цеховых перекрытий, железнодорожные рельсы и арматуру.

Конверторный способ.

Печь конвертерная представляет вращающийся относительно горизонтальной оси стальной футерованный корпус грушевидной формы. При помощи ковша внутренняя часть конвертера наполняется расплавленным чугуном, через отверстия в корпусе под давлением нагнетается воздушно кислородная смесь образуя в сплаве закись железа, взаимодействующую с нежелательными в сплаве элементами, преобразовывает их в шлак или выгорающие оксиды. Метод считается экономичным и отличается высокой производительностью, занимает от пятнадцати до тридцати минут, емкость конвертерных печей достигает до шестисот тонн, полученный металл используется для производства стальных листов, балок, швеллеров, катанки и проволоки.

Электроплавка.

Электроплавильные дуговые или индукционные печи служат для получения сталей высокого качества, в печь загружают руду, скрап или стальной сплав после конвертера или из мартеновской печи, в процессе добавляются легирующие металлы. Для нагрева используется электрическая дуга между расплавом и специальными электродами. Выплавка по этой технологии позволяет получать сталь очень хорошего качества, но имеет высокую себестоимость и низкую производительность, как правило, применяются печи до двухсот тонн. В связи с этим часто применяются разные типы печей, сначала сплав готовят в конвертерной печи или мартене, а затем подается в электропечь, где доводится до более высокого качественного уровня.

Уважаемые партнеры, клиенты, заказчики. Для оперативной обработки вашей заявки указывайте в заказе каким образом необходимо подготовить металл к отгрузке. Нужно ли порезать его для транспортировки, на какую длину? Если заказываете доставку нашими силами, укажите по какому адресу и в какой город, какой транспортной компанией или каким отдельным видом транспорта необходимо произвести отправку приобретаемого вами металла.

Способы выплавки стали

В основном дуговой электропечи сталь выплавляют на свежей шихте с окислением или методом переплава отходов с окислением и без окисления. В последнее время становится распространенным метод смешения в ковше. В зависимости от полноты удаления шлака окислительного периода из печи плавки можно вести одно- или двушлаковым процессом.

Выплавка стали на свежей шихте с окислением

Для способа выплавки стали с окислением на свежей шихте характерно наличие всех периодов плавки в дуговой пе­чи — от загрузки до выпуска с четким разграничением каждого из них. Описание физико-химических процессов отдельных периодов и технологии их проведения даны в предыдущих главах. При назначении марки стали для выплавки следует учитывать состояние печи и сразу пос­ле ее ремонта не назначать сталь с повышенной тепловой нагрузкой как по температурному режиму, так и по про­должительности. Легированные стали особенно ответственных марок целесообразно начинать плавить через три-пять плавок после полного ремонта стен электропечи. Выплавка стали на свежей шихте с окислением — наиболее распространенный способ. Однако продолжи­тельность плавки при этом методе максимальная.

Выплавка стали методом переплава отходов

В окис­лительным период в металлической ванне окисляются такие элементы как кремний, марганец, хром, ванадий и др. Образующиеся оксиды переходят в шлак и удаля­ются из печи. Для максимального использования леги­рующих элементов шихты плавку можно вести без окислительного периода методом переплава отходов.

Отсутствие окислительного периода при этом методе обусловливает невозможность удаления углерода и фос­фора, содержащихся в шихте. Поэтому содержание этих элементов в шихте должно быть ниже, чем в готовой стали. Шихту составляют из 60—80% легированных отхо­дов и 20—40 % мягкого железа, а также ферросплавов. Мягкое железо используют в виде специально выплав­ленных заготовок. Экономически целесообразно заменять мягкое железо отходами низкоуглеродистой и низкофосфористой стали. В процессе плавки металл частично науглероживается от электродов, раскислителей и легиру­ющих добавок. Поэтому содержание углерода в шихте должно быть на 0,03—0,06% ниже, чем в готовой стали. Содержание фосфора в шихте должно быть не выше 0,015—0,02 %, а содержание легирующих элементов в шихте должно быть близко к нижнему пределу, требуе­мому техническими условиями на данную марку.

При загрузке шихты тугоплавкие составляющие (мяг­кое железо, ферровольфрам) следует загружать в сере­дину ванны под электроды, а феррохром, способный на­углероживаться от электродов, ближе к откосам.

В процессе плавления некоторые элементы шихты окисляются в той или иной степени кислородом воздуха и оксидами, содержащимися в шихтовых материалах. Для ориентировочных расчетов можно принимать следующий угар элементов:

Для ошлакования образующихся оксидов в период плавления вводят известь в количестве 1,5 2 % от массы металла.

Состав шлака в конце плавления колеблется пример­но в следующих пределах: 30—40% CaO; 15—3% SiO2, 6—15% MnO, 2—4% Al2O3, 4—10% FeO, 8—18 % MgO.

Если в составе шлака по расплавлении отсутствуют окси­ды ценных легкоокисляющихся элементов, шлак скачи­вают и наводят новый — белый, карбидный или другой шлак (согласно технологическим инструкциям для стали данной марки). Если в составе шлака имеются оксиды ценных легирующих элементов (вольфрама, хрома, ва­надия), шлак обрабатывают молотым коксом или фер­росилицием. Это позволяет большую часть оксидов ука­занных элементов восстановить. Затем скачивают шлак и начинают восстановительный период по той же технологии, что и в плавках с окислением.

Переплав шихты, состоящей из высоколегированных отходов, ведут с частичным окислением углерода газо­образным кислородом.

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода в металле по расплавлении было на 0,1—0,25 % выше конечного содержания углерода в стали. а содер­жание фосфора ниже допускаемого в стали. Расчетное содержание кремния при выплавке стали с содержанием 6% Cr) 0,9-1,4%. Присутствие кремния в шихте ускоряет ее расплавление при продув­ке кислородом. При загрузке лома, легированного алю­минием, расчетное содержание кремния снижается.

Продувать ванну кислородом начинают после полно­го расплавления при выключенной печи и заканчивают при достижении содержания углерода, обеспечивающего нормальное проведение рафинирования и получения за­данного химического состава. По окончании продувки металл обычно раскисляют силикомарганцем и дают нагретый феррохром. Иногда для охлаждения ванны подсаживают кусковую шихту того же состава (или близкий по составу) в количестве до 5% от массы шихты. Печь включают и продувочный шлак, содержащий большое количество оксидов хрома, раскисляют дробленым силикохромом (10-30 кг/т), порошкообразным ферросилицием (5-7 кг/т) и алюминием (1-2 кг/т) в смеси со свежеобоженной известью (20-25 кг/т).

После восстановления хрома из шлака последний скачивают и наводят основной шлак, который обрабатывают порошкообразным ферросилицием, силикокальцием или коксом до получения белого рассыпающегося шлака. Возможность проведения дегазации металла позволяет рекомендовать этот метод для выплавки сталей с повышенным содержанием хрома и прежде всего нержавеющих.

Выплавка стали одношлаковым процессом

Если к стали не предъявляют жестких требований по содержанию серы, а иногда в случае последующей обработке стали в ковше синтетическим шлаком, плавку можно проводить под одним шлаком. Дефосфорация металла совмещается с расплавлением. Окислительный шлак специально из печи не удаляют, а после достижения требуемого содержания углерода и ≤0,035% P в ванну вводят ферросилиций и ферромарганец, а также необходимые легирующие элементы. Окончательно металл раскисляют в ковше кусковым ферросилицием и алюминием в количестве 0,5-1,0 кг/т.

Читайте также  Как согнуть стальную трубу в домашних условиях

Продолжительность плавки при одношлаковом процессе сокращается на 1-1,5 ч, на 15-20 % снижается расход электроэнергии, уменьшается расход шлакообразующих и ферросплавов и одновременно снижается трудоемкость ведения плавки.

Технико-экономические показатели при выплавке на свежей шихте с окислением и методом переплава отходов

При выплавке стали методом переплава отходов исключается окислительный период, что сокращает общую продолжительность плавки. Вместе с тем длительность расплавления шихты в этом случае, как правило, возрастает, что объясняется присутствием в шихте тугоплавкого мягкого железа. Как показывает практика работы электропечей разной емкости, длительность плавок, проводимых методом переплава, на 8-35% меньше длительности плавок на свежей шихте с окислением и со­ответственно выше производительность печи. На плавках без окисления одновременно на 10—20% уменьшается удельный расход электроэнергии и на 10—20% снижа­ется удельный расход электродов. Стойкость футеровки стен возрастает на 10—20 плавок, что приводит к сни­жению удельного расхода огнеупоров. Особенно важным преимуществом этого метода является высокая степень использования легирующих элементов, содержащихся в отходах, что снижает расход ферросплавов и значитель­но уменьшает себестоимость стали.

Вместе с тем при переплаве отходов нельзя удалить фосфор из металла. Однако отходы легированной стали, особенно электростали, обычно содержат мало фосфора (0,015—0,02%). Такие отходы можно применять в плав­ках без окисления.

Достаточно полное сравнение качества стали, выплав­ляемой с окислением и без окисления, провести затруд­нительно. По сообщению А. Д. Крамарова, в некоторых случаях, например при выплавке стали 38ХМЮА, каче­ство стали, выплавляемой без окисления, не уступает ка­честву стали, выплавленной с окислением. В других слу­чаях, например при выплавке стали 12Х2Н4ВА, пласти­ческие свойства стали, выплавленной без окисления, несколько ниже, чем при выплавке стали с окислением. Можно полагать, что метод выплавки стали не оказывает столь решающего влияния на ее качество, как качест­во исходной шихты, технология проведения восстановительного периода, разливка и т. д. В целом качество ста­ли, выплавленной по обоим сравниваемым способам, отвечает требованиям, предъявляемым к ней технически­ми условиями.

Количество легированных отходов, поступающих в электросталеплавильные цехи из кузнечных, прокатных и других цехов и от машиностроительных заводов, до­стигает 50—60% от производства стали. Учитывая опре­деленные технико-экономические преимущества выплав­ки стали методом переплава, этот способ находит широ­кое применение на отечественных заводах.

Показатели для плавок, проводимых на легирован­ных отходах с окислением газообразным кислородом, среднее между показателями для переплава отходов и плавок на свежей шихте с окислением.

Способы выплавки стали

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

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов 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 (рис.2.2.) 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.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11,а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис.2.2. Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0 C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0 C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 0 C. 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. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

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 основныммартеновским процессом, а если кислые– кислым.

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

В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.

Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание в шлаке возрастает, ауменьшается.

В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.

Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей – ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.

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.

Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, е¨ используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

-производительность печи – съем стали с 1м 2 площади пода в сутки (т/м 2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м 2 ; р

-расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Производство стали – технология, этапы, оборудование

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Читайте также  Классификация нержавеющих сталей и их маркировка

Процесс производства стали

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием — оксидом кальция (CaO) — распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Процесс производства стали в электропечах

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Производство стали в мартеновских печах

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

  • спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
  • полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

  • системы обеспечения аргоном;
  • сосуды конверторов и их несущие кольца;
  • оборудование для фильтрации пыли;
  • система для удаления конверторного газа.
  • печи индукционного типа;
  • дуговые печи;
  • емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
  • участок складирования металлического лома;
  • преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

  • очищение стали от серы;
  • гомогенизация стали;
  • электрошлаковый переплав;
  • создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

  • LF-оборудование;
  • SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

  • крышки ковшей;
  • ковши литейного и разливочного типа;
  • шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

  • поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
  • оборудование для осуществления непрерывной разливки;
  • вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
  • лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
  • промежуточные ковши и площадки для складирования;
  • пробочный механизм;
  • мобильные мешалки для чугуна;
  • оборудование для обеспечения охлаждения;
  • участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
  • внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

Способы выплавки стали

Кислородно-конвертерный процесс включает в себя выплавку стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислородный конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера – 130 — 350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360° 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. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.

а — загрузка скрапа; б — заливка чугуна; в — продувка кислородом, г — разливка стали; д — слив шлака

Рисунок 2. — Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой, осматривают футеровку, ремонтируют. Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (1 а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0 C (рис. 1 б). После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 1 в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9 — 1,4 МПа.

Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 °C. 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. Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера. Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Читайте также  Способы воронения стали в домашних условиях

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному марочным составом. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 1 г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 1 д).

В кислородных конвертерах выплавляют малоуглеродистые конструкционные стали, 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.

Мартеновская печь – это пламенная отражательная регенеративная печь (рис. 3). Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками.

Рисунок 3 — Схема мартеновской печи

Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора (1).

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов. Отходящие от печи газы имеют температуру 1500 — 1600 °C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 °C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 °C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образует факел (7), направленный на шихту (6).

Размеры плавильного пространства зависят от емкости печи. В нашей стране работают печи емкостью 20 — 900 т жидкой стали. Важной характеристикой печи является площадь пода, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Для подогрева воздуха в печи при работе на газообразном топливе печь имеет два регенератора – это камера с выложенным в клетку кирпичом. Отходящий из печи воздух с температурой 1000-1500 °С нагревает кипричи до 1250 – 1280 °С, а попадающий атмосферный воздух, соответственно, нагревается до температур 100 – 1200 °С, а потом только попадает в рабочее пространство печи, где смешивается с топливом.

Шихта– стальной скрап, жидкий и твердый чугун. В зависимости от состава шихты различают: 1) скрап-процесс, шихта – скрап и чушковый передельный чугун, применяют на заводах, далеко расположенных от доменного производства, и в крупных промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, основная часть шихты состоит их жидкого чугуна; наиболее экономичен, производство должно быть расположено вблизи домны.

В зависимости от футеровки печи различают кислый и основной процесс. Наибольшее количество сталей получают в печах с основной футеровкой, т.к. можно использовать различные шихтовые материалы (скрап-рудный процесс). Качественные стали, содержащие меньшее количество растворенных газов, выплавляют кислым мартеновским процессом.

Технология плавки основным скрап-рудным процессом: 1) осмотр и ремонт пода печи; 2) загрузка железной руды и известняка, прогрев; 3) подача скрапа, прогрев; 4) подача жидкого чугуна и продувка кислородом для ускорения процесса; 5) окисление примесей чугуна – кремния и фосфора, марганца и частично углерода; 6) кипение ванны – главный процесс в мартеновской печи, окисление углерода, отключение подачи топлива и воздуха в печь, 7) вспенивание шлака окисью углерода, выпуск шлака в чаши (скачивание шлака), удаление фосфора и серы; 8) процесс оканчивается при получении заданного содержания углерода и минимального содержания серы и фосфора., что определяют по пробам металла, которые берут постоянно в процессе плавки; 9) раскисление металла в два этапа: первый этап – в период кипения путем прекращения подачи руды в печь и одновременно подачей только раскислителей, второй этап – подача алюминия и ферросилиция в ковш перед разливкой стали; 10) выпуск плавки через сталевыпускное отверстие в задней стенке в ковш.

Производство стали в электропечах.Использование для разогрева и расплавления материалов энергии электрического тока осуществляется в электропечах. Преимущества – быстрый нагрев; точная регулировка температуры; возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферы или вакуум, выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять сталь, получать высококачественные стали и сплавы.

В дуговых электроплавильных печах в качестве источника тепла используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой. Печь питается трехфазным электрическим током и имеет три графитовых электрода. Емкость дуговых электропечей 0,5 — 400 т. В металлургических цехах обычно используют дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой (рис. 4).

Первый (окислительный) период начинается сразу после завалки шихты и пропускания тока через электроды. За счет кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляются кремний, марганец, углерод, железо. После нагрева металла и шлака до 1500 – 1540 °С в печь загружают руду и известь. Происходит интенсивное окисление углерода, начинается кипение ванны жидкого металла. Печь наклоняют и выпускают вспенившийся шлак в чашу. Руду и известь добавляют 2-3 раза. Содержание фосфора в стали снижается до 0,01 мас. %. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 мас. %, кипение прекращают и полностью уда лают из печи шлак.

Рисунок 4 — Схема дуговой плавильной электропечи

Второй период – восстановительный – это раскисление стали, удаление серы и доведения стали до заданного химического состава в соответствии с маркой. В печь подают ферромарганец, в требуемом по химическому составу количестве, производят при необходимости науглероживание. Затем нагружают флюс: известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После его расплавления вводят раскислительную смесь: известь, плавиковый шпат, молотый кокс, ферросилиций. При этом в шлаке происходят реакции: FeO + C = Fe + CO, 2FeO + Si = Fe + SiO2. Количество закиси железа в шлаке снижается и она из металла переходит в шлак по закону распределения (диффузионное раскисление). Из металла удаляется сера по следующей химической реакции: FeS + CaO = CaS + FeO.

По ходу восстановительного периода берут пробы для определения химического состава стали. Когда химический состав соответствует марочному, проводят окончательное раскисление стали и выпускают металл в ковш.

При выплавке легированных сталей легирующие элементы вводят в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующего элемента к кислороду: никель и молибден вводят в период плавления или в окислительный период, поскольку они обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо; хром легко окисляется, поэтому его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий и титан легко окисляются, поэтому их вводят перед выпуском металла в ковш.

Индукционные печи состоят из водоохлажлаемого индуктора (3), внутри него тигель (4) с металлической шихтой (рис. 5). Тигель изготовлен из огнеупорных материалов: кислый – кварцит или основной – магнезит.

Рисунок 5 — Схема индукционной тигельной плавильной печи

Через индуктор проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-100 кГц), который создает переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи Фуко, металл (1) нагревается до расплавления (рис. 5). В электропечах выплавляют высоколегированные стали, к которым предъявляются особые требования по качеству.

Технико-экономические показатели – емкость печи, расход электроэнергии (чем больше емкость, тем расход электроэнергии на 1 т выплавляемого металла меньше). Для интенсификации выплавки используют: электромагнитное перемешивание металла, кислород для продувки ванны стали в окислительный период. Для выплавки легированных марок сталей применяют дуплекс-процесс: выплавка стали в основном кислородном конвертере с последующим рафинированием и доводкой по химическому составу в электропечи.