Техніко-економічні показники виробництва сталі в кисневих конвертерах

До головних техніко-економінних показників виробництва сталі в кисневих конвертерах належать: продуктивність конвер­тера, витрата кисню на одиницю продукції, вихід рідкої сталі тощо.

Продуктивність великотоннажних конвертерів на 250...400 т сягає 400...500 т сталі за годину, що істотно перевищує цю ж характеристику мартенівських чи електросталеплавильних печей.

Витрата кисню становить 50...60 м³ на тонну виплавленої сталі.

Вихід рідкої сталі відносно маси металу в шихті — 89...92 %.

Виробництво сталі в електропечах

В електропечах виробляють високоякісні конструкційні, інструментальні та спеціальні сталі з мінімальним вмістом шкідливих домішок й неметалевих вкраплень. Електросталеплавильні печі поділяють на дугові та індукційні.

Джерелом теплоти дугової електропечі є електрична дуга, що горить між електродом і шихтою.

Основою печі служить циліндричний корпус зі сферичним дном, який складається із сталевого кожуха 9 (рисунок 3) і футерівки 1 (основної або кислої). Корпус накритий знімним склепінням 5 з трьома отворами для графітизованих електродів 4. Кожен електрод закріплений в окремому електродотримачі 6 і може разом з ним незалежно від інших електродів переміща­тись у вертикальному напрямку. Живляться електроди від три­фазного трансформатора. В корпусі є вікно 8, заслонене відсувною плитою 7. Навпроти вікна розташовані виливний отвір 3 і жолоб 2. Довжина кожної дуги регулюється автоматично підні­манням і опусканням електрода. Місткість дугових печей дохо­дить до 400 т.

Рисунок 3 – Схема будови дугової електропечі

Порожнину печі завантажують згори, попередньо піднявши і відвівши вбік склепіння разом з електродами або піднявши склепіння і викотивши корпус з-під нього. Після завантаження шихти піч накривають склепінням, електроди опускають, вми­кають струм і запалюють три незалежні дуги. Висока темпера­тура дуги сприяє швидкому розплавленню шихти. Крізь вікно контролюють плавлення і при потребі закидають у піч флюси, феросплави та легувальні речовини. Спеціальним механізмом (на рисунку не зображений) нахиляють піч для згрібання шла­ку і окремо для виливання металу.

Сталь виплавляють переважно в печах з основною футерівкою, рідше з кислою методом з оксидацією домішок і значно рідше методом переплаву (без оксидації).

Метод з оксидацією вибирають для виплавлення конструк­ційних вуглецевих сталей. Шихтою служать металевий брухт (до 90 %), чушковий переробний чавун, залізна руда або окали­на, розбиті електроди або кокс, феросплави та флюси (вапно і плавиковий шпат). Процес складається із двох періодів — оксидаційного й відновлювального.

Протягом оксидаційного періоду в печі з основною футерівкою відбувається оксидація кремнію, марганцю, вуглецю й частково заліза киснем пічної атмосфери й оксидами заліза. Оксидацію інтенсифікують, продуваючи розплавлений метал киснем. Утворені оксиди кремнію, марганцю й заліза перехо­дять у шлак, оксид фосфору зв'язується в хімічну сполуку з оксидом кальцію, а оксид вуглецю виходить з розплаву в ат­мосферу. Оксидація вугле­цю спричинює кипіння ванни й додаткове очищення металу від газів і шлаку.

Шлак зливають крізь вікно дугової печі у шлакову чашу, легко нахиляючи піч управо. Зливши шлак, у піч подають сві­жу порцію флюсу.

Відновлювальний період передбачає дезоксидацію, десульфурацію й доведення металу до заданого хімічного складу. У піч повторно подають флюси та активні дезоксидатори — по­дрібнені кокс і феросиліцій. Унаслідок реакцій

FeO + С = Fe + CO; (11)

FeO + Si = 2Fe + SiО2 (12)

кількість оксиду заліза FeO у шлаці істотно зменшується, що спри­чинює перехід FеО) з рідкого металу у шлак. Отже, особливість такої дезоксидації у тому, що дезоксидують шлак, а через нього — метал. Завдяки високій концентрації в шлаці СаО з металу активно вилучається сірка відповідно з реакцією (7). Для остаточ­ної дезоксидації застосовують алюміній (див. реакцію (10)).

Методом переплаву одержують переважно леговані сталі і зводиться він по суті до розплавлення шихти з легованих від­ходів. Завдяки відсутності оксидаційного періоду процес істо­тно скорочується. Впродовж виплавлення не виключена част­кова оксидація деяких легувальних елементів. Рідку сталь де­зоксидують через шлак і при потребі додають легувальні еле­менти.

В індукційних електропечах змінний струм індуктора збуд­жує в металевій частині шихти потужні вихрові струми, які на­грівають і розплавляють шихту. В цих печах виплавляють дуже якісні жаростійкі, жароміцні та інші сталі.

Рисунок 4 – Схема будови індукційної тигльової електропечі

Індукційна тигльова електропіч складається з тигля 3 (рисунок 4), накритого знімною покришкою 4, корпуса 1 і водоохолоджуваного індуктора 2. Тигель виготовляють з основних або кислих вогнетривких порошків, скріплених зв'язкою. Зняв­ши покришку, тигель завантажують шихтою. Рідкий метал ви­пускають з печі у розливний пристрій, нахиляючи її в бік роз­ливного носика 5.

В індукційних печах сталь виробляють методом переплаву з шихтових матеріалів, що містять невелику кількість шкідли­вих домішок. Ці печі компактні, високопродуктивні, забезпе­чують незначні втрати легувальних елементів, конструкція печі дає змогу проводити плавлення в контрольованій атмосфері або у вакуумі. Їхнім недоліком є малий коефіцієнт корисної дії на стадії розплавлення металу й низька температура шлаку. Цим пояснюється невисока активність шлаку та його обмежена здат­ність зменшувати в металі кількість шкідливих домішок.

РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ

Після виплавлення сталь із конвертера або з печі випуска­ють у ківш, із якого її розливають до кристалізатора машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) або до спеціальної мета­левої форми — виливниці. Після кристалізації із розлитого ме­талу отримують сталеві заготовки — зливки. Їх передають для вальцювання і рідше — для кування. Близько 98 % сталі, виплавленої металургійними заводами, використовують для виго­товлення зливків, а решту — для виливків.

Розливання сталі у виливниці

Ківш для розливання сталі — це відкрита посудина, що служить для короткочасного зберігання, транспортування та роз­ливання сталі. Ківш складається зі зварного кожуха 3 (рисунок 5), двох цапф 5, футерівки 2 зі шамотної цегли, вкладки 1 із магнезиту або шамоту й стопора 4. Вкладка має отвір цилін­дричної форми, що закривається під час опускання стопора або відкривається під час його піднімання. Поверхня металевого стопора захищена вогнетривким матеріалом. Ківш підвішують аа допомогою цапф до гаків мостового крана, який транспортує метал до місця розливання. Місткість ковша залежить від міс­ткості агрегату для виплавлення металу. Ківш вміщає від 5 до 250 т сталі, а подекуди — 400...450 т.

Рідку сталь перед розливанням недовго витримують у ков­ші, щоб вирівняти її хімічний склад, а також з метою дегазува­ти і вилучити частинки неметалевих вкраплень, що виплива­ють на поверхню.

Виливниця є товстостінною чавунною (рідше сталевою) фор­мою, призначеною для кристалізації в ній сталевого зливка. Поперечний переріз виливниці може мати вигляд квадрата, прямокутники, багатокутника або круга. Маса зливка — від 1 до 12 т, іноді доходить до 300 т.

Є два способи розливання сталі у виливниці: згори і сифон­но знизу.

Під час розливання згори з ковша 3 (рисунок 6) сталлю наповнюють окремо кожну виливницю 2, що стоїть на чавунній плиті - піддоні 1. Наповнивши виливницю, отвір ковша закривають стопором або шиберним замком, після чого ківш підво­зять мостовим краном до наступної виливниці.

Рисунок 5 - Розлив­ний ківш для сталі:

1 — вкладка; 2 — футерівка; 3 — кожух; 4 — стопор; 5 — цапфа

Рисунок 6 - Розлив­ання сталі у виливницю згори

Під час розли­вання метал розбризкується і з оксидовані бризки прилипають до стінок виливниці, а звідти потрапляють на поверхню злив­ка. Вони не зварюються зі зливком навіть під час вальцювання, тому їх перед вальцюванням необхідно вилучати. Процес роз­ливання згори порівняно тривалий.

Під час сифонного розливання сталь із ковша 7 (рисунок 7) потрапляє у чашу 6 центрового ливника 5 і звідти по каналах піддона 1 в усі виливниці 2 одночасно. Кількість виливниць може бути від 2 до 60. На кожну виливницю накладають над­ставку 3 з футерівкою 4, яка сповільнює охолодження рідкого металу.

Рисунок 7 – Сифонне розлив­ання сталі

Тому метал зберігається довше в рідкому стані й усад­кова порожнина утворюється тільки у верхній частині зливка. Сифонним розливанням отримують дрібні й середні зливки. Втрати металу на ливникову систему сягають 2,5 %. Скорочу­ється час розливання сталі на один зливок порівняно з розли­ванням згори. Поверхня зливка якісніша через відсутність на ній бризок металу.

Будова сталевого зливка

Розглянемо будову зливка спокійної сталі. Налита у вилив­ницю сталь охолоджується нерівномірно. В місцях стикання рідкого металу з відносно холодною поверхнею виливниці він сильно переохолоджується, що спричинює виникнення безлічі центрів кристалізації. З цих центрів формується тонка поверхне­ва зона дрібних дезорієнтованих кристалів 4 (рисунок 8), бли­зьких до глобулярної форми. Зі зниженням температури сталі утворюється проміжок між стінкою виливниці й зливком, вна­слідок чого охолодження помітно сповільнюється. Оскільки потік теплоти назовні перпендикулярний до стінки виливниці, то створюються умови для росту стовпчастих кристалів 2 в на­прямку, протилежному напрямкові відведення теплоти.

Формування зони стовпчастих кристалів сповільнює охолод­ження її осерді зливка, де виникає зона великих неорієнтованих кристалів Л. Після повної кристалізації поверхневого шару злинка й подальшого поступового зменшення об'єму металу, що перебуває всередині, утворюється усадкова порожнина 5.

Дефектами сталевого зливка є усадкова порожнина, ліквація, газові бульбашки й неметалеві вкраплення.

Усадкова порожнина — найбільший дефект сталевого злив­ка. У зливку зі спокійної сталі її виводять у верхню (головну) його частину, яка називається приростовою і формується в над­ставці 3 (рисунок 7). Футерівка 4 захищає метал від шви­дкої втрати теплоти, тому сталь тривалий час залишається рід­кою і живить металом закристалізовану частину зливка. З цієї причини зменшується об'єм і глибина усадкової порожнини. Для посилення цього ефекту приростову частину зливка часто спеціально нагрівають різними способами. Оскільки під час об­робки тиском усадкова порожнина не заварюється, попередньо приростову частину зливка відрізують і переплавлюють. З нею у відходи потрапляє 12...20 % металу.

Рисунок 8 – Будова заливка зі спокійної сталі

Характерною особливістю зливків із киплячої сталі є відсу­тність приростової частини з усадковою порожниною, оскільки газові бульбашки СО, що виділяються в об'ємі зливка, компен­сують усадку.

Лікваціею називається нерівномірний розподіл хімічних елементів у зливку. Розрізняють внутрікристалічну (в межах окремо взятого кристалу) й зональну (по висоті зливка) ліквацію. Найбільш схильні до ліквації сірка, фосфор і вуглець. Внут­рікристалічну ліквацію на противагу до зональної можна знач­ною мірою усунути дифузійним відпалом. Зональну ліквацію виправити відпалом не вдається. Вона може істотно впливати на механічні властивості сталі.

Газові бульбашки виділяються завдяки зменшенню розчин­ності газів в металі під час охолодження. Водночас бульбашки СО утворюються у киплячій сталі відповідно з реакцією (6). Під час вальцювання газові бульбашки заварюються.

До неметалевих вкраплень належать силікати, сульфіди та оксиди металів. Вони утворюються під час дезоксидації, а та­кож потрапляють у метал із футерівок та іншими шляхами. Неметалеві вкраплення завжди погіршують механічні власти­вості сталі.

Безперервне розливання сталі

Безперервне розливання полягає в тому, що рідку сталь із ковша 6 (рисунок 9) виливають у проміжний розливний при­стрій 5, звідки вона постійно витікає у мідяну водоохолоджувану виливницю без дна — кристалізатор 4. Перед початком роботи в кристалізатор вкладають підставку (на рисунку не зображена), верхня частина якої служить тимчасовим дном, а нижня затис­нута між тягловими валками 2. Контактуючи з порівняно холод­ними стінками кристалізатора й дном, рідка сталь поступово кристалізується, утворюючи своєрідну чашу. Підставка разом з закристалізованим металом пересуваються вниз уздовж стінок кристалізатора за допомогою тяглових валків зі заданою швидкіс­тю. Інтенсивне охолодження металу водою сприяє швидкому пере­міщенню фронту кристалізації від поверхні до центра зливка. В міру віддалення від верхнього краю кристалізатора товщина стінки чаші збільшується і на певній глибині рідкий метал ос­таточно кристалізується без утворення усадкової порожнини.

Особливістю безперервного розливання сталі є компенсація її усадки за рахунок постійного живлення рідким металом, що надходить у зону кристалізації. Таке живлення можливе лише завдяки незатверділій відкритій поверхні чаші, куди безперервно витікає рідкий метал із проміжного розливного пристрою. Після кристалізатора зливок додатково охолоджують водою з форсу­нок 3, а на виході з машини його розрізують на частини 1 необ­хідної довжини ацетиленокисневим різаком 7. Щоб запобігти приварюванню металу до стінок кристалізатора, він рухається зворотно-поступально вздовж осі зливка.

Поперечний переріз кристалізатора визначається конфігу­рацією майбутніх виробів. Переріз може бути квадратним, прямокутним, круглим тощо. Машини безперервного розливання можуть мати до восьми кристалізаторів для одночасного виго­товлення кількох зливків.

Переваги методу безперервного розливання сталі:

— внаслідок відсутності усадкової порожнини відходи мета­лу зменшуються до 2...4 % маси рідкої сталі;

Рисунок 9 - Схема машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) вертикального типу з подальшим згином зливка

Рисунок 11 – Частка безперервного розливання у загальному

обсязі виробництва сталі

- не вимагає великої кількості виливниць, піддонів та ін­ших пристроїв;

- структура зливка щільна, дрібнозерниста й хімічно одно­рідна завдяки високій швидкості охолодження;

- поверхня зливка має добру якість;

- форма й розміри перерізу зливка максимально наближе­ні до виробу;

- не треба застосовувати обтискні вальцівні стани — блю­мінги та слябінги, внаслідок чого заощаджується значна кіль­кість енергії;

- поліпшені умови праці.

Таким чином, безперервне розливання сталі можна вважати видатним досягненням в металургії XX ст. Цей метод почали запроваджувати у промисловість наприкінці 40-х — на початку 50-х pp. Світова сумарна частка сталі, розлитої на МБЛЗ в 1960 p., становила менше 1% (рисунок 11), а в 1970 р. — менше 10 %. Починаючи з 1975 p., безперервне розливання сталі стрімко розвивається. Вже в 2000 р. понад 85 % виплавленої в світі сталі було розлито на МБЛЗ. Досягнутий світовий рівень істотно перевершили такі країни, як Японія, Італія, Республі­ка Корея, ФРН, де понад 95 % сталі розливають на МБЛЗ. Водночас значне відставання від середньостатистичного світо­вого рівня бачимо в КНР, Росії, Індії й Україні.

Рафінування сталі поза межами виплавлювального агрегату

Останнім часом помітно зросли вимоги до чистоти сталі щодо оксидів, сульфідів і розчинених газів. Найчастіше сталь очи­щають від перелічених домішок у ковші, тобто поза межами виплавлювального агрегату. Основними методами такого очи­щення є обробка рідкої сталі синтетичним шлаком, вакууму­вання сталі та її продування інертними газами.

Суть методу обробки сталі в ковші синтетичним шлаком полягає у тому, що спочатку в ківш додають 3...5 % синтетич­ного шлаку, а потім з деякої висоти туди виливають із виплав­лювального агрегату сталь, яка добре перемішується зі шла­ком. В результаті поверхня контакту між металом і шлаком значно збільшується, що в сотні разів пришвидшує металургій­ні реакції. Синтетичний шлак спеціально виплавляють у дуго­вій електропечі. Він складається із 55% СаО, 40 % А12О3, невели­кої кількості SiО2, MgO і FeO. Вміст сірки у сталі зменшується за реакцією (7), підвищується її чистота щодо неметалевих вкраплень, які асимілюються синтетичним шлаком і сплива­ють разом із ним на поверхню.

Вакуумна дегазація сталі здебільшого відбувається у ковші або у виливниці і сприяє вилученню з рідкого металу немета­левих вкраплень й розчинених газів. Вакуумування виконують у спеціальних герметичних камерах, футерованих зсередини. Зниження тиску над дзеркалом металу зменшує розчинність газів у рідкій сталі. Азот, водень і оксид вуглецю, що бурхливо виділяються, захоплюють зі собою неметалеві вкраплення й ви­носять їх на поверхню. В результаті вміст у металі газів й немета­левих вкраплень помітно зменшується. Кінцевий тиск у камері становить близько 300 Па, а тривалість обробки — 10... 15 хв. Вакуумування в ковші виконують перед розливанням сталі.

Продування сталі інертним газом вилучає з неї розчинені гази й неметалеві вкраплення, а також вирівнює температуру й хімічний склад металу в ковші. Найчастіше сталь продувають аргоном через спеціальний вогнетривкий пористий блок, вмон­тований у дні ковша. Тиск аргону на 0,2...0,5 МПа перевищує атмосферний. Тривалість операції — 5... 15 хв. У бульбашки ар­гону переходять водень і азот. Бульбашки газів виносять на поверхню неметалеві вкраплення.

Контрольні запитання

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.