1.2. Производство стали

Сталь является основным металлом, используемым во всех областях современного машиностроения. Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с углеродом и другими примесями, но отличается от него их меньшим содержанием. В отличие от восстановительного процесса получения чугуна, процесс получения стали –окислительно-восстановительный. Он сводится к окислению чугуна и его примесей до нужных пределов чистым кислородом или кислородом воздуха или руды. Сталь производят тремя способами:конверторным,мартеновскимиэлектроплавкой.

Сущность конвертерного способасостоит в том, что черезжидкий чугун, залитый в конвертор, продувается воздух или кислород, которые окисляют углерод и другие примеси. Конвертор представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, внутренняя поверхность которого выложена огнеупорной кладкой толщиной275-400 мм (рис.2, а).

В верхней части конвертора находится горловина 1. Средняя часть конвертора по наружной стенке опоясана стальным кольцом, к которому присоединены две цапфы 2 и 6, опирающиеся на колонны. Колонны установлены на фундаменте. Воздух из воздуховода поступает в конвертор через полую цапфу 2.На конце второй цапфы насажено зубчатое колесо, соединенное с зубчатой рейкой 5. Рейка получает перемещение от электрического или гидравлического привода.

При движении рейки конвертор совершает поворот на требуемый угол, принимая горизонтальное, вертикальное или наклонное положение. В нижней части конвертора находится сменное днище 4, сделанное из огнеупорного кирпича. В днище имеются каналы, в которые запрессованы трубы 3 – фурмы, через которые в конвертор вдувается воздух.

Для заливки чугуна и завалки добавок конвертор поворачивают в горизонтальное положение, несколько наклоняют книзу горловиной (рис.2, б) и заливают чугун до уровня фурм. Затем начинают вдувать воздух и медленно поворачивают конвертор (давление воздуха постепенно увеличивают).

При продувке жидкий чугун активно соприкасается с кислородом и идет процесс окисления (выгорания) примесей.

После окончания процесса конвертор наклоняют в горизонтальное положение и прекращают дутье. Второй этап восстановительный, при котором в расплав подают ферросплавы, при этом FeO + Si = Fe + SiO₂, FeO + Mn = Fe + MnO. Затем проверяют состав полученной стали и выливают ее в ковш.

Существуют три вида конверторного процесса: кислый – бессемеровский, основной – томасовский и кислородно-конверторный.

Бессемеровский процессполучения стали, открытый английским изобретателем Г.Бессемером в 1855-1856 гг., ведется в конверторах, внутренняя кладка которых изготовлена из кислого огнеупорного кирпича – динаса. Сущность процесса заключается в том, что кислород воздуха, вдуваемого через жидкий чугун, окисляет его примеси и при интенсивно идущих реакциях образуется такое количество тепла, которого вполне достаточно для превращения чугуна в сталь в течение 10-13 мин. Исходным материалом для ведения процесса служит передельный чугун. Недостатком способа является то, что он не позволяет переплавлять в сталь чугуны с высоким содержанием серы и фосфора.

Томасовский процессполучения стали, открытый в 1878 г. английским металлургом С.Томасом, дает возможность переплавлять чугуны с высоким содержание фосфора (до 1,5-2,5 %) и низким содержанием кремния (от 0,2 до 0,9 %). В отличие от бессемеровского, томасовский конвертор выложен не кислым, а основным огнеупором – доломитом.

К достоинствам конверторной плавки следуетотнести высокую производительность, несложное оборудование конвертора, отсутствие необходимости в топливе. Конверторная сталь – сталь, как правило, углеродистая, и стоимость ее невысока. К недостаткам способа относятся невозможность переплавки металлических отходов и использование чугуна только определенного химического состава; большой угар металла; трудность получения стали заданного состава; большое количество растворенных газов, снижающих плотность стали.

Для интенсификации выплавки стали и повышения ее качества в настоящее время применяют обогащенное кислородом дутье и чистое кислородное дутье.

Кислородно-конверторный процессс продувкой технически чистым кислородом (чистотой 98,5-99,5 %) сверху позволяет переработать чугуны самого различного химического состава, включая даже высокофосфористые и природно-легированные.

Конверторы для продувки жидкого чугуна кислородом сверху имеют глухое днище и летку для выпуска жидкого металла (рис.3). Емкость современных кислородных конверторов достигает 350 т.

Совершенствование конверторного процесса привело к созданию вращающихся и роторных конверторов, которые во время продувки вращаются вокруг своей оси, наклоненной под углом 15-17 со скоростью 30 об/мин. Кислород подают через фурму, вводимую в горловину конвертора.

Сталь, получаемая во вращающихся конверторах, более однородна по химическому составу благодаря хорошему перемешиванию в процессе выплавки. Кроме того, во вращающихся кислородных конверторах происходит максимальное удаление серы и фосфора.

Мартеновский способпозволяет использовать для плавки стальной лом и выплавлять самую разнообразную по качеству, назначению и сортам сталь, а также дает легкость управления ходом плавки и его контроля. Начало производства стали мартеновским способом относится к 1865 г., когда отец и сын Мартены во Франции построили 1,5-тонную пламенную регенеративную печь и получили в ней сталь удовлетворительного качества из стального лома и чугуна.

В плавильном пространстве печи сжигается газообразное топливо или мазут (рис.4). Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии достигается регенерацией тепла печных газов.

По роду кладки печи делятся на основные и кислые. Набольшее распространение получили основные печи, выложенные хромомагнезитовым кирпичом.

Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подом и откосами; сверху – сводом; с боков – передней и задней стенками; с торцов – головками. В передней стенке расположены окна, служащие для загрузки исходной шихты и дополнительных материалов (по ходу плавки), взятия проб металла и шлака, удаления шлака и дефосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые для выпуска плавки выбивают.

Исходным материалом для выплавки стали в мартеновских печах являются: металлический лом (скрап), чугун передельный мартеновских марок М-1 и М-2 (чушковый или жидкий) и железная руда. Кроме того, применяют флюсы (преимущественно известняк). В зависимости от шихтовых материалов различают три основные разновидности мартеновского процесса:

1. Скрап-процесс, в котором шихтой служит металлический лом и чушковый чугун. Этот процесс применяют в мартеновских печах машиностроительных заводов, где всегда имеется большое количество металлических отходов, причем содержание их в шихте достигает 50-70 %.

2. Скрап-рудный процесс, в котором содержание жидкого чугуна в шихте составляет 50-75 %, а остальное – металлический лом. Этот процесс получил свое название потому, что в нем для окисления примесей преобладающей части шихты (жидкого чугуна)расходуется значительное количество руды.

3. Рудный процесс, в котором плавка ведется только на жидком чугуне без стального лома. В настоящее время рудный процесс не применяется, так как экономически не выгоден.

Из перечисленных процессов наибольшее распространение получил скрап-рудный. Его применяют на заводах с полным металлургическим циклом.

В мартеновских печах выплавляют качественную углеродистую конструкционную и инструментальную сталь, а также низколегированную и среднелегированную. Сталь, выплавленная в мартеновских печах, идет на производство проката и поковок. Из нее делают рессоры, балки и разные детали машин.

Способ производства стали в электропечах. Плавка металла электрической дугой была изобретена и обоснована русским ученым академиком В.В.Петровым в 1802 г., т.е. еще за 100 лет до появления первых промышленных электрических печей.

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора.

Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, и сталь получается достаточно раскисленной и плотной. Благодаря высокой температуре печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержанием углерода с добавлением электродного боя или малосернистого чугуна.

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металлов.

Дуговые печи наиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их не сложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения. Наиболее часто для производства стали применяют дуговые трехфазные электрические печи прямого действия (рис.5). Емкость таких печей достигает 270 т. Дуговая электропечь одета в кожух и выложена огнеупорным кирпичом. Рабочее пространство печи сверху ограничено сводом 1, а снизу – подом. Свод печи съемный. Через него пропущены электроды 6. Современные электропечи работают на трехфазном переменном токе и поэтому имеют три электрода (угольных или графитовых диаметром 200-500 мм).

В передней стенке печи расположено завалочное окно 2, которое служит для завалки шихты и наблюдения за ходом плавки. Для выпуска металла в задней стенке имеется отверстие 5 с желобом 4. В некоторых печах жидкий металл выпускается через желоб 4, вставляемый в завалочное окно 2. Для наклона печи служит механизм 3.

Кладку электроплавильных печей делают либо основной – при выплавке высококачественных и легированных сталей для производства слитков, либо кислой – при выплавке углеродистых и низкоуглеродистых сталей для фасонного литья.

В настоящее время большое распространение получил электрошлаковый переплав (рис.5, б). Электрод-слиток непрерывно находится в кристаллизаторе под слоем активного флюса. Электрическая дуга обеспечивает большую температуру, при которой высокотемпературный флюс позволяет избавиться от вредных примесей.