Производство стали

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

• производительность печи – съем стали с 1м² площади пода в сутки (т/м² в сутки), в среднем составляет 10 т/м²;
• расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

    С укрупнением печей увеличивается  их экономическая эффективность.   

    Производство  стали в кислородных  конвертерах.

    Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого  чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Изобретателем конвертерного способа считают англичанина Бессемера, осуществившего плавку в 1854-1856 гг. 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 360⁰ 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.

    Перед плавкой конвертер наклоняют, с  помощью завалочных машин загружают скрап рис. (2а), заливают чугун при температуре 1250 – 1400⁰C (рис. 2б).  

Рис.2. Последовательность технологических операций при выплавке стали 

в кислородных конвертерах 

    После этого конвертер поворачивают в  рабочее положение (рис.2в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через нее 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 2400⁰C. 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%).

    Подачу  кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис.2г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис.2д).

    После очередной плавки стали выпускное  отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

    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. 

    Производство  стали в электропечах

    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.

    Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

    Различают дуговые и индукционные электропечи.  

   Дуговая плавильная печь.

   Схема дуговой печи показана на рис. 3.  

   

  

   Рис.3. Схема дуговой плавильной печи 

    Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

    Вместимость печей составляет 0,5 – 400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

    В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов:

    а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),

    б) на углеродистой шихте (с окислением примесей).

    Плавку  на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс. Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов.

    Плавку  на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток. Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи. Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500-1540⁰C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш.

    При выплавке легированных сталей в дуговых  печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

    В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали – конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные. 

    Индукционные  тигельные плавильные печи

    Выплавляют  наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и  сплавы.

    Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

    Схема индукционной тигельной печи представлена на рис.4.

    

    Рис. 4. Схема индукционной тигельной печи  

    Печь  состоит из водоохлаждаемого индуктора  3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

    При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съемный свод 2.

    Тигель  изготавливают из кислых (кварцит) или  основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют  в сторону сливного желоба.

    Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

    В индукционных печах выплавляют сталь  и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

    После расплавления шихты на поверхность  металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами.

    При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят  шлак из боя стекла . Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий.

    В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

    В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой – конструкционные, легированные другими элементами стали.

    В печах можно получать стали с  незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды.

    При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры. Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами. 

    Разливка  стали

    Из  плавильных печей сталь выпускают  в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы, машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

    Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков.

    Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

    Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

    Спокойные и кипящие углеродистые стали  разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.

    Сталь разливают в изложницы сверху (рис.5а), снизу или сифоном (рис.5б) и на машинах непрерывного литья (рис.6).

    

    Рис.5. Разливка стали в изложницы

    а – сверху; б – снизу (сифоном)

    В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

    Применяется для разливки углеродистых сталей.

    При сифонной разливке одновременно заполняются несколько изложниц (4 – 60). Изложницы устанавливаются на поддоне 6, в центре которого располагается центровой литник 3, футерованный огнеупорными трубками 4, соединённый каналами 7 с изложницами. Жидкая сталь 2 из ковша 1 поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу 5.