3.4. Безчавунне виробництво сталі
Металургія доменного чавуну має технологічні, економічні й екологічні вади, серед яких головними є:
великі за обсягом та вартістю витрати на підготовку і використання палива (коксу, природного газу); води (для охолодження печей та шлаку); повітря, кисню та електроенергії (для подання дуття);
значне забруднення довкілля: земель — відвалами шлаків; вод — шкідливими речовинами стоків; повітря — викидними шкідливими газами.
Тому світова металургія дедалі ширше використовує технологію безчавунного виробництва сталі методом прямого відновлення заліза з руд.
Відновлення відбувається з руд у твердому стані завдяки здатності заліза відновлюватись воднем (Н2), а також монооксидом вуглецю (CO) за температури 750—800 °С (температура плавлення заліза і залізної руди близько 1540 °С). Реакції процесу такі:
Fe203 + 3H2= 2Fe + 3Н20
Fe203 + 3СО = 2Fe + 3С02
Безчавунне виробництво сталі з металізованих грудок відбувається за схемою, що зображена на рис. 2.3.7.
Рис. 2.3.7. Схема технології виробництва сталі з металізованих грудок
3.5. Рафінування сталі
Очищення сталі від домішок, які покращують її якісні властивості, називають рафінуванням.
Рафінування сталі проводять у сталеварних агрегатах або поза ними. Очищення в агрегатах подовжує час плавки, що зменшує їх продуктивність і збільшує собівартість сталі.
Позаагрегатне рафінування потребує додаткового спеціального обладнання (ковші, печі та ін.). Його здійснюють у розплаві у ковшах одразу після випуску з агрегату при виконанні операцій: вакуумування; продування інертними газами; перемішування з синтетичними флюсами або переплавом у печах при виконанні електрошлакового, вакуумно-дугового, вакуумно-індукційного і плазменного способів.
Вакуумування дозволяє зменшити в сталі кількість кисню, азоту, водню тощо.
Продування інертним газом (найчастіше аргоном) зменшує вміст кисню і водню (приблизно в 1,5 раза).
Перемішування з синтетичними флюсами (CaO, A12О3, SiО2, МnО та ін.) зменшує вміст сірки (вдвічі) і фосфору.
Рафінування сталі методом переплавлення поліпшує якість сталі, структуру отриманих з неї виливків, зменшує в них вміст кисню в 1,5—2 рази, сірки — 2—3 рази. Це дозволяє поліпшити корозієстійкість рафінованої сталі і збільшити довговічність виробів з неї.
3.6. Розливання сталі
Готову сталь із сталеварних агрегатів (печей, конвертерів) зливають у розливні ковші, які транспортують до місця розливки. Ковші зсередини футеровані вогнестійкою цеглою і мають діаметр до 5,5 м, висоту до 6 м, вміщують до 400 т сталі.
Розливання сталі виконують двома способами:
у виливниці;
в установки безперервного розливання.
Виливниця — чавунна або стальна товстостінна форма, в якій кристалізується і набуває форми стальний виливок (продукція розливання).
Маса виливків становить 7—300 т.
Використовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху і знизу (сифоном).
При розливанні зверху (рис. 2.3.8, а) кожну виливницю заповнюють окремо, що дуже уповільнює процес. При сифонному способі всі виливниці (40—60 шт.) заповнюються одночасно. Сталь заливають у центральний стояк, вона по каналах піддона тече до виливниць і заповнює їх знизу, як показано на рис. 2.3.8, б.
Рис. 2.3.8. Схеми розливання сталі у виливниці:
а — розливання зверху; б — розливання знизу (сифоном). 1 — ковш; 2 — розплав; 3 — центральний ливник; 4 — ливник-труба, виготовлений з вогнетривів; 5— виливниці; 6 — піддон; 7 — канали, які зроблені в піддоні
Продуктивність розливання сталі у виливниці способом знизу значно вища, ніж зверху, а поверхня виливків значно якісніша. Проте недоліком є великі витрати металу на заповнення ливника (до 5 % від маси виливка) і можливе забруднення сталі неметалевими включеннями у ливнику та каналах. Виливниці та їх експлуатація мають високу вартість.
Безперервне розливання сталі — сучасний прогресивний спосіб, при використанні якого не потрібні виливниці, досягається висока продуктивність праці і якість виливків, зменшуються затрати енергії і кількість відходів металу. Цей спосіб у розвинених країнах є основним у розливанні металів і сплавів (до 90 % виплавлених сталей), в Україні він — 15 %.
Найширше використання знайшли машини безперервної розливки сталі (МБРС) вертикального і горизонтального типів.
На рис. 2.3.9 показано схему МБРС вертикального типу. З розливного ковша 1 розплавлену сталь заливають до проміжного ковша 2 і вниз до кристалізатора З, який охолоджується водою. Внаслідок ефективного охолодження рідкий метал твердішає біля стінок і утворює зовнішню оболонку виливка 7. Повне охолодження і кристалізація виливка відбуваються при опусканні його вниз до зони бризкалок 6. У міру того як виливок опускається із кристалізатора вниз, його місце займає нова порція розливу, який безперервним потоком надходить із проміжного ковша. Після проходження тягових роликів 4 виливок потрібної довжини відрізають ацетилено-кисневим різаком 5. Відрізок відливка подають на оброблення (вальцювання, кування тощо). МБРС мають велику продуктивність, одна машина здатна, за 1 годину розлити 100—150 т сталі. Ці машини можуть бути багатопотоковими (до 8-ми потоків) з можливістю повної механізації і автоматизації процесів. Виливки, отримані на МБРС, мають гладку поверхню, дрібнокристалічну структуру, їх недолік— значна висота (до 44 м).
Рис. 2.3.9. Схема безперервного розливання сталі
Останнім часом розроблені і застосовуються МБРС горизонтального типу з вигнутим кристалізатором.
Такі машини мають меншу висоту, дешевші, ніж вертикальні, проте вигнутий виливок важко витягати у разі виходу машини з ладу.
На МБРС отримують сортові заготовки (прямокутні, квадратові, круглі), а також труби.