Технология производства стали

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:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процесс производства стали

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

1. 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 CaO.

2. 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:

FeO + C = CO + Fe — Q

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

3. 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.

Способы раскисления стали

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. 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 .

9 Оборудование для производства и выплавки стали

Для производства стали на сталелитейных заводах должно быть специальное оборудование:  Кислородные конверторы 

• аргоновое хозяйство;

• детали конвертеров (сосуды и несущие кольца конвертера);

• фильтрация пыли;

• отсасывание конвертерного газа;

Электропечи 

• индукционные печи (изготовление периферий);

• дуговые печи (изготовление энергетических опор, стальных частей для горнов, охлаждение электродов);

• загрузочные бадьи;

• скрапное отделение;

• частотные преобразователи для индукционного нагревания; Вторичная металлургия 

• обессеривание стали;

• гомогенизация стали;

• электрошлаковый переплав;

• создание вакуума;

Ковшовая технология 

• оборудование LF типа;

• оборудование SL типа;

Ковшовое хозяйство 

• крышки литейных и разливочных ковшей;

• литейные и разливочные ковши;

• шиберные затворы;

Оборудование непрерывной разливки стали 

• разливочная поворотная станина для манипуляции с промежуточными ковшами и ковшами;

• сегменты оборудования непрерывной разливки;

• вагонетки промежуточных ковшей;

• аварийные лотки и сосуды;

• промежуточные ковши и подставки для складывания;

• пробочный механизм;

• передвижные мешалки чугуна;

• охлаждающее оборудование;

• выводные участки непрерывной разливки;

• металлургические рельсовые транспортные средства.

Таким образом производство стали - это сложный технологический процесс, сочетающий базовые химические принципы получения железа, в сочетании с технологиями отливки стали.

10 Способы разливки и повышения качества стали

Процесс разливки стали и последующего ее охлаждения оказывает существенное влияние на получение высококачественного металла. Существует разливка стали в изложницы и непрерывная разливка.

Разливка стали в изложницы может производиться в каждую имеющую дно изложницу отдельно сверху или одновременно в несколько изложниц, не имеющих дна, снизу сифоном. В последнем случае металл из ковша заливается в общий литник 1, из которого по горизонтальным каналам 3 поддона он расходится по изложницам 2, поставленным по нескольку штук на металлический поддон  

Первый способ применяют при получении крупных слитков (до 100 т) и при разливке так называемой «спокойной стали», т. е. полностью раскисленной в печи или в ковше и застывающей в изложнице спокойно. «Кипящая» сталь, раскисленная неполностью в печи, при заливке в изложницы бурлит в результате выделения окиси углерода при охлаждении стали. Разливку «кипящей» стали производят сифонным способом, который применяют и при изготовлении мелких и средних слитков (до 100 шт.) одновременно.

При разливке сверху усадочная раковина, образующаяся под коркой, получается меньше, так как горячий металл поступает в верхнюю часть слитка.

При сифонном способе одной струей можно заливать несколько изложниц; поверхность слитков получается более чистой. 

Наиболее совершенный способ разливки стали (изобретенный в СССР) — непрерывная разливка, заключающаяся в том, что жидкий металл из ковша 1 (рис. 8) через промежуточную емкость 2 непрерывно поступает в кристаллизаторы 3, охлаждаемые водой. Далее затвердевающий металл формируется прокаткой между валками 4 и потом разрезается на куски газорезками 5. Куски стали кантователями укладываются на элеваторы.

Рассмотренный способ разливки стали имеет следующие достоинства:

1) при получении заготовок небольшого сечения исключается необходимость применения дорогостоящих обжимных станов (блюмингов);

2) исключается необходимость в изложницах, поддонах и т. д.;

3) отсутствуют прибыльные части слитков, что позволит съэкономить до 20% металла.

Таким образом, слитки из сталеплавильных цехов при применении непрерывной разливки стали могут направляться в горячем состоянии непосредственно в прокатку, что обусловливает значительную экономическую эффективность такого непрерывного цикла производства стали.

11 Раскисление и легирование стали

Наиболее совершенным способом получения стали является ее выплавка в электропечах. Для этого используют дуговые и индукционные печи. В электрических печах можно получать температуру до 2000 °С, что позволяет расплавлять тугоплавкие компоненты (Cr, W, Мо и др.), иметь основной шлак; хорошо очищающий металл от вредных примесей (S и Р), создавать восстановительную атмосферу или вакуум и достигать хорошего раскисления и дегазации металла. При использовании кислородного дутья производительность повышается на 15-25%, а расход электроэнергии уменьшается на 10-15% на 1 т стали. В электрических печах выплавляют главным образом высококачественную углеродистую и легированную сталь.

Образующиеся продукты раскисления имеют меньшую плотность, чем сталь, и всплывают в шлак. Марганец и кремний вводят в сталь в виде ферромарганца и ферросилиция, алюминий- в виде чистого металла. Раскисление производят при выпуске стали.

В зависимости от степени раскисления различают:

• сталь кипящую (кп),

• полуспокойную (пс),

• спокойную (сп).

Кипящая сталь является наименее раскисленной, для ее раскисления применяется только ферромарганец. В этой стали реакция FeO + C->Fe+CO не прекращается перед разливкой из-за выделяющихся пузырьков СО, и металл продолжает «кипеть».

Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и ферросилицием. По качеству и свойствам она является промежуточной между спокойной и кипящей сталью.

Спокойная сталь является наиболее раскисленной и получается при последовательном раскислении ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая, потому что при кристаллизации металла в верхней части слитка образуются усадочные раковины, которые удаляют обрезкой как отходы, что значительно уменьшает выход годного металла.

12 производство меди. Этапы, продукция

Медь получают из руд с содержанием этого металла не ниже 0,5%. В природе встречаются около 30—40 мед­ных минералов. Из сульфидных минералов наиболее распространен халькопирит.

Если для получения одной тонны чугуна перерабаты­вается до 2,5 т железной руды, то для производства од­ной тонны меди — до 200 т медной руды.

Получают медь из сульфидных руд по следующей схеме:

1. Дробление руды в дробилках с последующим из­мельчением в шаровых мельницах.

2.  Флотаци       онное обогащение — флотация. Тонко из­мельченную руду смешивают с небольшим количеством особого флотореагента, например ксантогената калия и извести, и подают в камеру флотационной машины. Ксантогенат калия покрывает тонкой пленкой частицы сульфидных минералов меди. Известь создает в пульпе определенную щелочность и предупреждает обволакива­нием пленкой ксантогената частиц других минералов. В флотационной машине к частицам минералов меди прилипают пузырьки воздуха и выносят их на поверх­ность пульпы. Добавка пенообразователей (сосно­вого масла, сланцевой смолы и др.) позволяет создать на поверхности пульпы устойчивую пену, удерживаю­щую частицы минералов меди.

3. Обжиг. Высокосернистые руды и концентраты под­вергают в многоподовых печах и в печах кипящего слоя обжигу при температуре до 850°С в окислительной атмо­сфере. При этом выгорает значительная часть серы. Продуктом обжига является обожженная шихта — ога­рок и газы, содержащие сернистый ангидрид, ко­торый используют для производства серной кислоты.

4.  Плавка в отражательной печи. Плавят сырую, под­сушенную или обожженную шихту при температуре до 1500—1550°С. При этом атмосфера в печи должна быть нейтральная или слабоокислительная. Цель плавки — сульфидирование меди и перевод ее в штейн (оплав суль­фидов) при одновременном ошлаковании большей части железа кремнеземом. Окислы металлов и пустой породы, взаимодействуя, образуют шлак, который легче штейна и в ванне печи располагается над ним.

5. Конвертирование. Штейн в конверторе продувают воздухом в течение 16—24 ч в присутствии кварцевого флюса. В результате продувки сера выгорает, газы по­ступают в сернокислотное производство, полученная черновая медь содержит 97,5—99,5% Сu, остальное при­меси. Черновую медь подвергают огневому рафинирова­нию, а затем электролизу для очистки от примесей и из­влечения из нее благородных металлов.

6. Огневое рафинирование. Черновую медь расплав­ляют в специальной печи (или заливают в нее жидкую медь) и рафинируют отри температуре 1200°С.

7.  Электролитическое рафинирование. Этому подвергают огневую и анодную медь для получения наиболее чистой меди с содержанием ее 99,9%. Электролиз ведут в водном растворе сульфата меди, содер­жащем свободную серную кислоту. В результате электролиза чистая медь осаждается на катодах (тон­ких листах электролитической меди), а на дне ванны собирается шлам, который в дальнейшем перерабаты­вают для извлечения благородных металлов.

13 Производства алюминия. Этапы, продукция.