Производство стали

    Лекция 21. Производство стали

    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.  

    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 предложен Мартеном (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов ХХ 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 (рис.1) 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.1. 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 – 1600⁰C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250⁰C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200⁰C 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 1800⁰C. 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 основным мартеновским 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, а уменьшается.

    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, ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.