Заняття №5 (2години)

Тема 1.1: Виробництво сталі.

План: 1 Поняття про сталь. Сутність переробки чавуну у сталь.

2 Сучасні способи виплавки сталі: у кисневих конверторах, мартенівських двох ванних пе­чах і електропечах.

3 Будова і робота кисневих конверторів, мартенівських та електропечей, основні процеси, що протікають в них.

4 Якість сталей, виготовлених різними способами. Сталі спокійні та киплячі.

5 Техніко-економічні показники і порівняльна характеристика сучасних способів ви­робництва сталі.

6 Позапічне рафінування.

7 Способи підвищення якості ста­лі: електровакуумний і електрошлаковий переплав, електронно-промене­ва плавка, продувка інертними газами та ін.

8 Розлив сталі. Розлив сталі безперервним способом.

9 Промислове освоєння технології прямого видо­бутку заліза, безперервні сталеплавильні процеси.

Мета заняття учбова: Поняття про сталь. Сутність переробки чавуну у сталь. Будова і робота кисневих конверторів, мартенівських та електропечей, основні процеси, що протікають в них.

Мета заняття виховна: Розуміти призначення і вміти застосовувати сталі в народному хазяйстві

Література: (1, с.28 - 48; 3, с.23-45; 4, с.14-43)

Сталь — це сплав заліза з вуглецем, у якому масова частка вуглецю не перевищує 2,14 %. Крім заліза й вуглецю у сталі завжди є марганець Mn(до 0,8 %), кремній Si (до 0,4 %), фосфор P (до 0,07 %) та сірка S (до 0,06 %), що пояснюється особливостями технології її виробництва.

1 Суть процесу

Основною сировиною для масового виробництва сталі є пере­робний чавун і скрап (металобрухт й металеві відходи металур­гійних та машинобудівних заводів). Чавун порівняно зі сталлю містить більшу кількість вуглецю, марганцю, кремнію, фосфо­ру й сірки. Позбутись надлишку вуглецю, марганцю, кремнію і фосфору можна шляхом їх оксидації. Під час оксидації вуглець у вигляді газоподібного оксиду вуглецю СО виходить в атмос­феру» а марганець і кремній утворюють нерозчинні в розплав­леному металі оксиди МпО і SiО2. Фосфор оксидується до Р2О5, який, сполучаючись з флюсом СаО, переходить у нерозчинний у металі фосфат кальцію (СаО)3 • Р2О5. Сірку з розчиненого в металі сульфіду заліза FeS переводять у нерозчинний сульфід кальцію CaS. Утворені сполуки (МпО, SiО2, (СаО)3 •Р2О5), які ма­ють меншу від заліза густину, випливають на поверхню як шлак.

1.2Тенденції розвитку виробництва сталі у XX ст.

Попри все ширше використання в народному господарстві сплавів кольорових металів, пластмас, керамічних і композит­них матеріалів, сталь залишається основним конструкційним матеріалом завдяки кращим механічним і технологічним влас­тивостям та порівняно невисокій вартості. Жодна з промислово розвинених країн світу не обходиться без власного виробництва сталі. Обсяги виробництва сталі та його технології є важливою характеристикою промислового потенціалу кожної держави.

Виробництво сталі у світі протягом XX ст. розвивалось над­звичайно високими темпами (рисунок 1). Якщо сумарна кількість сталі, виплавленої у світі в 1900 p., стано­вила 28,3 млн т, то в 2000 р. вона зросла до 829,6 млн т, тобто за 100 років виробництво сталі у світі збільшилось майже у 30 разів, в Україні — в 27 разів, а у США — до 10 разів. За результатами 2001 р. Україна посіла сьоме місце серед вироб­ників сталі.

Зазначимо, що на початку XX ст. у металургійній промисло­вості світу панували два основні способи виробництва сталі — конвертерний (в бесемерівських і томасівських конвекторах) та мартенівський. Третій спосіб — виробництво сталі в елек­тропечах — перебував на початковій стадії розвитку. В 1952 р. започатковано промислове виробництво сталі в кисневих конвер­терах. Киснево-конвертерна сталь за якістю не поступалась мартенівській, але вартість киснево-конвертерної сталі була нижчою.

Очевидно, що попит на сталь, виплавлену тим чи іншим способом, визначався її ціною і властивостями. Попри високу продуктивність бессемерівських і томасівських конвертерів та порівняно низькі виробничі витрати, металургам не вдалося забезпечити високу якість конвертерної сталі. Ось чому мартенів­ське виробництво, частка якого в 1900 р. становила близько 40 %, стало поступово витісняти конвертерний спосіб. У I960 р. в мартенівських печах виробляли 82 % сталі, в електропечах — 10 %, в бессемерівських і в томасівських конвертерах разом — близько 4 %, у кисневих конвертерах — 3,5 %. Киснево-конвер­терний спосіб, починаючи з 1954 р., став надзвичайно швидко поширюватись у світі. Як наслідок, частка сталі, вироблена в кисневих конвертерах у 1970 p., перевищила 40 %, у 1980 р. вона становила близько 52 %, у 1990 р. — 56,6 %, а у 2001 р. — 59,1 %.

Киснево-конвертерна сталь зовсім витіснила зі світової арени виробництво сталі в бессемерівських та в томасівських конвер­терах і стала причиною занепаду мартенівського виробництва, яке в 2001 р. зменшилась до 4,3 %.

Виробництво сталі в електричних печах від початку століття розвивалось дуже повільно, досягнувши в 1925 р. близько 1 %, у 1950 р. — 6,5 %. Однак потреба у високоякісній сталі стимулю­вала розвиток електрометалургії. Ось чому вже в 1970 р. част­ка виплавленої електросталі в світі становила 14 %, у 1990 р. — 27,6 %, а в 2001 р. — 33,6 %. Сьогодні виробництво сталі в електропечах вийшло

на друге місце після киснево-конвертер­ного способу й зберігає тенденцію до зростання.

Рисунок 1 – Розвиток виробництва сталі

Покажемо, яким способам виробництва сталі віддавали перевагу протягом XX ст. в окремих країнах, розглянувши три найпоширеніші в наш час способи виплавлення сталі — кисне­во-конвертерний, електропічний і мартенівський. Якщо в галу­зі киснево-конвертерного виробництва в 1960 р. Україна перевищила світовий показник, то в наступні роки вона поступово втрачала свої позиції і вже в 2001 р. частка україн­ської сталі, виробленої киснево-конвертерним способом, стано­вила 49,0 % проти 59,1 % у світі. Відносна кількість киснево-конвертерної сталі, виготовленої в США, не набагато відхилялась від світового рівня. У Японії темпи киснево-конвер­терного виробництва були особливо високі в 1970-1977 pp., коли частка цього виробництва сягала 80 %.

Особливо помітне відставання України від темпів світового розвитку в галузі електрометалургії. Частка ста­лі, виплавлюваної в електропечах США до 1969 р., не переви­щувала світового рівня, а далі темпи розвитку американської електрометалургії перевищили світові (за 2000 р. в США вироб лено 49,0 % електросталі, у світі — 33,6%). Японія переви­щила світовий рівень в електрометалургії ще в 1930 р.

Найбільше відстає Україна від світових технологій щодо мар­тенівського виробництва. Якщо Японія припинила виробництво мартенівської сталі ще в 1977 p., а частка марте­нівської сталі в США в 1990 р. впала до 3,6 %, то в Україні вона становила 52 %. У 2001 р. частка мартенівської сталі зни­зилась в Україні до 48,2 %.

Отже, попри те, що Україна за обсягами виробництва сталі до­сягла високого рівня, вона відстає від сучасних технологій виплавлювання сталі. Украй занедбана металургійна промисловість Укра­їни потребує докорінної реконструкції й чималих капіталовкладень.

Виробництво сталі в кисневих конвертерах

Кисневий конвертер складається із сталевого кожуха 2 (рисунок 2), звареного з листа, основної футерівки 3 та отвору 5 для виливання сталі. Конвертер має цапфи (на рисунку не зобра­жені) з горизонтальною віссю, навколо якої можна його повер­тати для завантаження скрапу, наливання чавуну, насипання флюсу й залізної руди й виливання сталі та шлаку. Конвертер вміщує від 100 до 400 т рідкого чавуну.

Шихтовими матеріалами для киснево-конвертерного проце­су служать: рідкий переробний чавун (понад 70 %), скрап (до 25 %), залізна руда (до 10 %), вапно СаО, а також плавиковий шпат CaF2 — для розрідження шлаку.

Перед плавленням конвертер нахиляють для завантаження скра­пу. Далі наливають чавун, що має температуру 1300... 1450 °С. Потім конвертер повертають у вертикальне положення, в нього вставляють водоохолоджувану фурму 4, через яку вдувають кисень (99,5...99,8 %) під тиском 0,9... 1,4 МПа.

Рисунок 2 – Схема будови кисневого конвектора

Водночас у кон­вертер насипають залізну руду, вапно і плавиковий шпат. Стру­мінь кисню проникає вглиб металу й спричинює оксидацію. Час продування киснем становить 12...25 хв, а тривалість одні­єї плавки — ЗО...55 хв.

Після наливання чавуну починається розплавлювання скра­пу, температура в конвертері поступово підвищується від теплоти реакцій оксидації, що зумовлені вдуванням кисню. Оскільки на початку температура ванни відносно низька, то за

принци­пом Ле Шательє активно відбуваються екзотермічні реакції. Внаслідок того, що концентрація заліза у ванні дуже висока, за законом діючих мас його оксидація відбувається дуже інтенсивно:

2Fe + О2 = 2FeO + 527,36 кДж. ( 1)

Утворений оксид заліза FeO розчиняється у металі й реагує зі спорідненішими з киснем, ніж залізо, елементами — кремні­єм, фосфором і марганцем:

2FeO + Si = 2Fe + SiО2 + 330,50 кДж, (2 )

5FeO + 2P = 5Fe + P2О5 + 225,94 кДж, ( 3 )

FeO + Mn = Fe + MnO + 122,59 кДж. ( 4)

Оксиди SiО2 і MnO погано розчиняються в металі і, маючи меншу густину, випливають на його поверхню, утворюючи шлак. Фосфорний ангідрид Р2О5 , вступивши в реакцію з окси­дом кальцію СаО, утворює фосфід кальцію, який також пере­ходить у шлак:

Р2О5 + 3СаО = (СаО)3 ∙Р2О5 + 676,72 кДж. (5)

Вміст фосфору в шлаці швидко зростає, наближаючись до насичення. Щоб продовжити дефосфоризацію, виливають шлак і насипають свіжу порцію СаО. Завдяки реакціям ( 1- 5) температура металу помітно підвищується, активізуючи оксидацію вуглецю:

FeO + С = Fe + СО - 153,93 кДж. (6)

Бульбашки СО, піднімаючись вгору, добре перемішують вміст ванни, вирівнюють склад і температуру металу та сприяють вилученню газів і неметалевих вкраплень.

Збільшення температури ванни помітно поліпшує умови для переведення добре розчинного в металі сульфіду заліза FeS у погано розчинний сульфід кальцію CaS, що переходить у шлак:

FeS + СаО = CaS + FeO. (7)

Наявні у металі вуглець і оксид заліза сприяють перебігу реакції (6), внаслідок чого в майбутньому зливку залишаєть­ся безліч порожнин, заповнених CO. Сталь з такими порожни­нами називають киплячою. Ці порожнини можуть спричиняти крихке руйнування при низьких температурах. Щоб зменшити небезпеку такого руйнування, необхідно усунути причину ки­піння сталі шляхом дезоксидації, тобто відновлення FeO до чистого заліза за допомогою марганцю, кремнію та алюмінію. Зовсім дезоксидовані сталі називають спокійними, а частково дезоксидовані — напівспокійними.

Дезоксидацію здійснюють у ковші під час випуску сталі з конвертера в такій послідовності: спочатку феромарганцем, по­тім — феросиліцієм і наприкінці — алюмінієм:

FeO + Mn = Fe + МпО + 122,59 кДж, (8)

2FeO + Si = 2Fe + SiО2 + 330,50 кДж, (9)

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2О3 + 884,00 кДж. (10)

Утворені оксиди марганцю, кремнію й алюмінію виплива­ють на поверхню металу й утворюють шлак.

Коли виплавляють леговані сталі, легувальні елементи вводять до їхнього складу у вигляді феросплавів або чистих металів. Еле­менти (Ni, Co, Mo, Си), що мають меншу спорідненість з киснем, ніж залізо, можна додати в конвертер під час виплавлення, а спорідненіші — Si, Mn, Al, Cr, V і Ті додають безпосередньо у ківш.

Переваги киснево-конвертерного виробництва сталі:

- порівняно низькі капіталовкладення на спорудження кис­нево-конвертерних цехів;

- висока продуктивність;

- отримана сталь за якістю не поступається мартенівській;

- можна переробляти значну кількість (до 25 %) скрапу;

- не потрібно палива.

Недоліки:

- значні втрати металу на вигар;

- труднощі, пов'язані з виплавленням сталей, що містять легкооксидівні елементи;

- процес вимагає значної кількості (до 80 %) рідкого чавуну.