8. Производство стали

8.1. Сырье для получения стали

Сталь — это сплав железа с углеродом, где содержание угле­рода колеблется от 0,01 до 2 %. Кроме углерода, она содержит марганец, кремний, серу и фосфор, доля которых в стали незна­чительна. Стали обладают высокой механической прочностью, сравнительно легко обрабатываются давлением, резанием, хорошо свариваются и являются поэтому основным конструкционным ма­териалом.

Для выплавки стали используются следующие шихтовые мате­риалы: чугун (жидкий или твердый); стальной и чугунный лом; железная руда; металлизованные окатыши; ферросплавы; флюсы.

Основу шихты составляет чугун (55%) и металлолом (45%). Соотношение содержания указанных компонентов зависит от типа технологического процесса, места расположения завода (его уда­ленности от сырьевой базы) и др. В качестве шихты используется твердый (если на заводе отсутствует доменный цех) или жидкий чугун. В последнем случае чугун из доменного цеха поступает в миксер — сосуд цилиндрической формы, футерованный огнеупор­ным кирпичом и заключенный в стальной кожух. В верхней части миксера имеется отверстие для заливки чугуна, а сбоку — спе­циальный желоб для его выпуска в ковш и транспортировки к конвертерам или мартеновским печам. В миксере чугун не только хранится, но и выравнивается его химический состав. Сера частич­но вместе со шлаком периодически удаляется из миксера.

В шихте для выплавки стали используется металлолом, который образуется на металлургических заводах в результате обрезки металла при прокатке, изготовления бракованных слитков, на маши­ностроительных предприятиях — в виде стружки и отходов при штамповке, а также амортизационного лома (отслуживших машин, рельсов и др.). Прежде чем использовать лом в сталеплавильных агрегатах, необходимо провести его предварительную обработку (прессование, обжиг и др.).

В сталеплавильном производстве в качестве флюсов использу­ются известняк, известь, боксит, плавиковый шпат; окислителями служат железная руда, окалина, кислород, агломерат и др.

Применяется газообразное топливо — доменный, генераторный, коксовый, природный газ; жидкое — мазут, смола; твердое — ка­менноугольная пыль. От выбора исходных материалов, их подготов­ки к плавке зависит не только качество выплавляемой стали, но и ее себестоимость.

8.2. Кислородно-конвертерный способ производства стали

Сущность этого способа получения стали, заключается в том, что через расплавленный чугун продувается технически чистый (95,5%) кислород, который, соединяясь с примесями, уво­дит их в шлак и отходящие газы, очищая тем самым металл.

Конвертер представляет со­бой стальной сосуд грушевидной формы с глухим дном вмести­мостью 100...350 т. Наружная часть — кожух 4 изготовляется из толстоли­стовой стали. Внутренняя часть фу­терована основным огнеупорным ма­териалом. Конвертер цапфами 2 опи­рается на стойки 1 и имеет возмож­ность поворачиваться вокруг оси цапф, что необходимо при таких операциях, как заливка жидкого чу­гуна в конвертер, выпуск стали и шлака.

Цапфы удерживают конвертер и позволяют поворачивать его вокруг гори­зонтальной оси. Поворот конвертера осуществляется электродвига­телями через систему редукторов. Перед началом процесса конвер­тер поворачивают в наклонное положение, загружают металличе­ский лом и заливают жидкий чугун, имеющий температуру 1250... 1400 °С. Затем конвертер ставят в вертикальное положение, загру­жают известняк, опускают водоохлаждаемую форму и подают кислород под давлением 1,0... 1,4 МПа.

Подвод кислорода в конвертер под давлением осу­ществляют сверху через горловину 5 с помощью водоохлаждаемой медной фурмы 3.

Р ис. 8.1. Схема кислородного конвертера

Техпроцесс. Сначала в конвертер загружают холод­ные материалы: стальной скрап, известь, железную руду, затем заливают расплавленный чугун. Конвертер устанав­ливается в вертикальное положение и подается кислород­ное дутье. Первый период плавки характерен окислением железа 2Fe + O₂ = 2FeO + Q. Затем оксид железа окис­ляет кремний и марганец:

2FeO + Si  2Fe + SiO₂ + Q

FeO + Mn  Fe + MnO + Q

Полученные оксиды, соединяясь между собой (и окси­дом кальция), образуют шлак.

Второй период — окисление углерода

FeO + С  Fe + СО - Q

Загруженный в конвертер известняк при температуре свыше 1000 °С распадается с образованием оксида каль­ция

СаСОз  СаО + CQ₂ - Q

Дефосфорация (удаление фосфора) осуществляется с помощью оксида кальция

2Р + 5FeO + 4СаО (СаО)₄ • Р₂О₅ + 5Fe + Q

Полученное нерастворимое соединение (СаО)₄-Р₂О₅ удаляется в шлак.

Одновременно происходит процесс десульфурации (удаление серы)

FeS + СаО  FeO + CaS + Q

По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному, про­дувку прекращают, поднимают фурму и, повернув конвертер в горизонтальное положение, выпускают сталь через летку в ковш, а затем через горловину слива­ют шлак.

Завершающей операцией является раскисление стали, которое производят для частичного удаления из распла­ва кислорода, присутствующего в виде оксида железа FeO, который уменьшает прочность, снижает ее пластич­ность.

Для восста­новления железа в ковш вводят раскислители. Если сталь полностью раскислена и при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали, в качестве раскислителей сначала вво­дят ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.

В тех случаях, когда из стали не удален кислород, при ее раз­ливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимо­действует с углеродом. Образующийся оксид углерода интенсивно выделяется из кристаллизирующегося слитка. Поверхность метал­ла как бы бурлит, поэтому такую сталь называют «кипящей».

При получении кипящей стали, в качестве раскислителя вводят только ферромарганец. Закончив раскисление, приступают к раз­ливке стали по изложницам. Температура стали при разливке — 1600...1650 °С.

В кислородных конвертерах в основном выплавляют углеродис­тые, низколегированные и легированные стали. Из таких сталей изготовляют катанку, проволоку, сортовой прокат, лист, трубы, рельсы и широкий сортамент других изделий. Основные технико-экономические показатели работы конвертера: продолжительность плавки в конвертере вместимостью 350 т составляет 50 мин, годо­вая производительность конвертера вместимостью 250 т — более 1,5 млн т, выход годного металла — 90...92 %, удельный расход кислорода — 50...55 м³ на 1 т стали. Основным показателем явля­ется себестоимость выработки 1 т стали.

Вместимость современных конвертеров 300—500 т. Продолжительность плавки 25 — 30 мин. Преимуществом кислородно-конвертерного способа является высокая производительность процесса, простота устройства пе­чи, отсутствие необходимости использования топлива для нагрева металла, невысокие эксплуатационные рас­ходы.