ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОКИСЛИТЕЛьНОЙ ПЛАВКИ

3.1. Питание сталеплавильной ванны кислородом

3.2. Реакция окисления углерода

3.3. Реакция окисления кремния

3.4. Реакция окисления марганца

3.5. Окисление фосфора

3.6. Десульфурация металла

3.7. Шлакообразование

3.8. Раскисление стали

3.9. Классификация марок стали

3.10. Маркировка сталей за рубежом

4. КОНВЕРТЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ

4.1. Общая характеристика конвертерных процессов

4.2. Кислородно-конвертерный процесс

4.2.1. Конструкция кислородного конвертера

4.2.2. Продувочные устройства кислородных конвертеров

4.2.3. Система подачи сыпучих материалов

4.2.4. Газоотводящий тракт

4.3. Технология кислородно-конвертерной плавки

4.3.1. Дутьевой режим кислородно-конвертерной плавки

4.3.2. Шлакообразование

4.3.3. Плавление лома

5. КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ С ДОННЫМ И КОМБИНИРОВАННЫМ ДУТЬЕМ

5.1. Конструкция конвертера донного дутья

5.2. Особенности процесса выплавки стали с донным дутьем

6. МАРТЕНОВСКИЙ ПРОЦЕСС

6.1. Конструкция мартеновской печи

6.2. Разновидности мартеновского процесса

6.3. Технология мартеновской плавки

6.4. Интенсификация мартеновского процесса

6.5. Выплавка стали в двухванных печах

7. ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА

7.1. Обработка металла вакуумом

7.1.1. Удаление кислорода и обезуглероживание металла

7.1.2. Дегазация металла

7.1.3. Снижение содержания неметаллических включений

4. Вакуумная дисцилляция

5. Современные способы вакуумирования стали

7.2. Обработка металла в ковше инертными газами

1. Устройства для подачи газа в сталь

3. Результаты обработки металла нейтральными газами

4. Варианты совершенствования обработки металла аргоном в ковшах

5. Аргонно – кислородная продувка

2. Обработка металла синтетическим шлаком

3. Обработка шлака в ковше твердыми шлакообразующими смесями и порошкообразными материалами

1. Дефосфорация металла

2. Десульфурация металла

3. Науглероживание, азотация и легирование стали

4. Особенности рафинирования стали кальцием, магнием и РЗМ

5. Введение материалов в жидкую сталь в оболочке

4. Комплексное внепечное рафинирование стали

5. Перемешивание металла в ковше

6. Отделение шлака от металла

7. Флотация и фильтрация неметаллических включений

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основные этапы развития сталеплавильного производства

Несмотря на постоянный рост производства цветных металлов и пластмасс доля стали в общем объеме конструкционных материалов в течение многих десятилетий находится на постоянно высоком уровне, который составляет примерно 90%. Конечно, железный век начался ни тогда, когда человек познакомился с железом, а когда научился получать его из руды.

Первоначально это был сыродутный процесс. Сущность этого способа получение железа заключается в том, что железную руду с древесным углем загружают в горн, уголь разжигают и снизу подают дутье. По мере сгорания угля руда опускается вниз, разогревается и, вступая во взаимодействие с восстановительным газом и углеродом, оксиды железа восстанавливаются до железа. Ввиду того, что использовалось сырое (не подогретое) дутье, температура в горне не превышала 1300 - 1350˚С, продуктом плавки было тестообразное железо-крица. Из-за низкой температуры оно не науглероживалось. Полученный металл подвергали ковке для удаления шлаковых включений и придания ему формы изделия.

Такие горны обнаружены археологами во многих местах, где имеются месторождения железной руды.

На этом этапе процесс получения железа был одностадийным.

В настоящее время одностадийный процесс получил новый импульс в своем развитии. Разработано и используется несколько методов прямого восстановления железа. Полученное здесь железо используется как первородная, не содержащая примесей цветных металлов, шихта при производстве качественных марок стали и сплавов.

Интересно, что описанный способ производства железа применяется и в наше время. В журнале «Вокруг света», 1980 г., №9 рассказывается о встрече с африканцем из Анголы, который бал потомственным металлургом и так описал производство железа:

«Старик немного помолчал, потом продолжил:

- Меня зовут Мкондези Муррима. Я родился в дистрикте Мозамбик, где столицей город Нампула, в далеком селении Намавука посреди саванны. Неподалеку от нашей деревни текла река.

Мой отец был металлургом. И дед тоже. Пожалуй, и другие наши предки плавили железо.

Тогда, сеньор, это была не просто работа, как сейчас. Люди боялись жить рядом с нами: считали, что мы умеем заговаривать камни. Только сыну отец-металлург мог доверить тайну извлечения металла. Чему-то другому сына «колдуна» вряд ли кто взялся бы учить. И мы тоже не учили никого из посторонних. Главное у нас – хранить профессиональную тайну.

Наше селение стоит среди холмов. Невысокие, поросшие кустарником и деревьями, они тянутся далеко-далеко, до самого великого озера Ньяса. Горы – значит камни. Часть секрета нашей профессии в этих камнях. «Мурава» - так называется этот камень красного цвета, в котором запрятан металл.

Когда руду находили, ее бережно клали на специальные носилки – «никула», сделанные из коры дерева, и осторожно несли к печи, что располагалась на берегу реки в укромном месте. Ее строили так, чтобы никто не знал и не мог подсмотреть, как работает металлург. Считалось, что ремесло дано нам богами и только боги – с помощью отца или деда – могут научить нового человека.

Обычно металлурги строили печь внутри термитника. Это удобно – не надо выкладывать стены. Но иногда ее строили из камня. Внизу оставляли отверстие – поддувало.

Второй наш секрет – дерево. У нас говорили: дерево и камень, должны полюбить друг друга. Тогда получится металл. Если этого не произойдет, толку не будет. Поэтому искали подходящие деревья. Обычно они растут где-нибудь в низине, ближе к реке. У годной для печи древесины много имен – мукарара, муака, мукала. Она горит жарче, чем любая другая. Вот в раскаленные угли мукарара и клали руду, а третьим был белый порошок, который добывали из жилища муравьев, называемых «овексе». Он помогал жаркому огню мукарара вытянуть металл из камня. И еще один важный помощник – ветер. Его создавал при помощи шкуры антилопы пала-пала человек, стоящий у поддувала. Ветер запускали внутрь печи через полую бамбуковую палку, соединенную с большим мешком из шкуры. В единственное узкое отверстие и вставляли бамбуковую трубку.

Сколько времени занимала плавка? Не догадаешься! От восхода до захода солнца. Только когда солнце скрывалось за верхушками деревьев, внутри печи среди горящих углей образовывался раскаленный до бела шар. Это и был металл. Не всегда мурава превращалась в такой шар – бывало, распадался он на кусочки. Видно, люди плохо попросили камень, и он не захотел превратиться в железо. Но если уж огненный шар лежал на углях, значит, наши мольбы были услышаны. Тогда просмоленными палками железо доставали из печи и несли к воде остужать. Потом шар сплющивали и делили на нужное количество кусочков. Тут наша работа заканчивалась, и за дело брались кузнецы.»

По мере совершенствования сыродутного процесса увеличивалась высота горна, стали использовать подогретое дутье. В результате повысилась температура процесса до 1400˚С и продолжительность пребывания металла в горне. Следствием этого стало заметное науглероживание железа. Продуктом плавки стал чугун, а не низкоуглеродистая крица. Было также замечено, что при повторной загрузке чугуна в горн совместно с рудой получается низкоуглеродистое железо. Так появился двухстадийный процесс: вначале получали чугун, затем низкоуглеродистое железо-сталь.

Этот процесс получил название кричного и заключается он в расплавлении чугуна в огнеупорном горне на древесном угле с одновременным окислением примесей чугуна кислородом дутья и оксидами шлака.

После того как уголь в горне разгорится, на него помещают куски чугуна и богатую железную руду или окислительный шлак. Температура в горне достигает 1400˚С, что достаточно для расплавления чугуна. Жидкий металл вступает во взаимодействие с кислородом дутья и оксидами шлака, и происходит окисление примесей чугуна. По мере снижения концентрации углерода повышается температура плавления металла. Температура в горне не превышает 1400˚С, а температура плавления низкоуглеродистого железа составляет примерно 1500˚С, поэтому на дне горна скапливается тестообразная масса, которую скатывают в ком, извлекают из горна и направляют на дальнейшую переработку.

Готовая крица содержала (% по массе):

С	Si	Mn	S	P
0,03-0,05	0,01- 0,02	до 0,08	0,004 -0,005	0,01- 0,04

т.е. металл был чист по сере и фосфору, что возможно в случае использования низкофосфористого чугуна и древесного угля.

Низкая производительность и дороговизна кричного передела, массовое уничтожение лесов заставили искать более совершенный способ получения железа. Кричный процесс исчез в конце ХIX – начале ХХ в.в.

В 1784 г. англичанин Г. Корт предложил получать сталь окислительным плавлением чугуна на поду отражательной печи – так называемый пудлинговый процесс.

Он осуществляется таким образом. На подину печи загружают подогретый чугун, железную руду или окалину. После расплавления чугуна его начинают «вымешивать», обеспечивая тем самым увеличение контакта между металлом и шлаком и ускоряя выгорание примесей.

По мере выгорания примесей повышается температура металла и одновременно повышается его температура плавления. Как только температура металла достигает температуры печи, при дальнейшем снижении концентрации углерода из расплава выпадают кристаллы наиболее чистого по углероду металла с высокой температурой плавления. По окончании обезуглероживание производили накатку криц. Комья по 30-50 кг извлекали из печи и направляли на дальнейшую переработку.

Недостатками пудлингового процесса являются: низкая производительность, высокий расход топлива, невозможность получения жидкого металла.

Наиболее древним способом получения жидкой стали является тигельный. Сущность его в следующем. В огнеупорный тигель загружают шихту, состоящую из кричного железа, углерода, марганцевой руды и других добавок. Закрытый тигель помещают в горн или пламенную печь. Вначале идет процесс окисления содержащихся в шихте примесей, затем по мере повышения температуры кремний и марганец восстанавливаются в металл. В результате получается сталь с низким содержанием неметаллических включений и газов и с высоким уровнем механических свойств. Этот металл сочетает в себе высокую прочность, твердость и пластичность, т.к. при охлаждении стали с содержанием углерода 1.2 – 1,5% в тигле образуются микроскопические частицы карбида железа Fe₃C с содержанием 6,67% углерода, окруженные низкоуглеродистым сплавом.

Считают, что по такой технологии выплавляли булатную сталь. Секрет этой технологии был раскрыт Аносовым, который возродил производство булата в 1817 – 1847 г.г. на Златоустовском, Путиловском и Обуховском заводах.

Тигельный способ малопроизводительный, дорогой и требует исходных материалов высокой чистоты.

В 1856 французский инженер Генри Бессемер предложил высокопроизводительный процесс получения стали из жидкого чугуна путем продувки последнего воздухом в агрегате грушевидной формы – конвертере. Конвертер Бессемера имел кислую футеровку (из кварцевого песка – SiO₂), поэтому был пригоден для переработки чугуна с низким содержанием S и Р, т.к. эти элементы в кислых процессах не удаляются.

Томасовский процесс. В 1878 г. англичанин Томас предложил изготавливать футеровку конвертера из основного огнеупора – доломита, что позволило перерабатывать в конвертерах чугун с высоким содержанием S и Р, т.к. наличие основной футеровки сделало возможным работу на основных шлаках.

Мартеновский процесс. Рассмотренные способы производства стали не были приспособлены для переработки металлических отходов и лома в значительных количествах. А развитие промышленности шло таким образом, что накапливались все новые и новые количества металлолома. Например, в виде отходов прокатного производства, металлообрабатывающей промышленности, амортизация железнодорожных рельсов. Наличие запасов (ресурсов) лома при отсутствии его потребления явилось предпосылкой создания нового сталеплавильного процесса – мартеновского, предложенного Пьером Мартеном в 1865 г. Сущность мартеновского способа – выплавка стали из чугуна и железного лома на поду регенеративной пламенной печи. В конструкции печи был использован принцип регенерации тепла отходящих газов и подогрева за счет этого тепла, воздуха и газа, предложенный Сименсом. Поэтому в литературе можно встретить и другое название процесса - сименс-мартеновский. Наличие внешнего источника тепла открыло неограниченные возможности для переработки металлолома.

Конвертерные и мартеновский способы явились базой, обеспечившей бурный рост выплавки стали в промышленно развитых странах. Менее чем за 100 лет, с 1868 г. по 1960 г. производство стали увеличилось в 1000 раз, с 330 тыс. тонн до 346 млн. тонн.

Электропечной способ. Процесс производства стали в дуговых печах возник в 1910 г. и развивался как наиболее дешевый и производительный способ выплавки качественной стали, успешно конкурировавший с тигельным. Например, в 1918 г. в США производство электростали в 8 раз превышало производство тигельной стали.

В последние десятилетия электросталеплавильное производство развивается особенно бурно, чему способствовало создание сверхмощных ДСП садкой до 400 т., оборудованных трансформаторами с мощностью 700-800 КВ.А/т. При этом стало экономически выгодным выплавлять не только легированные, но и углеродистые стали общего сортамента.

Кислородно – конвертерный процесс. Недостатком мартеновского процесса является низкая производительность. Поэтому представляет интерес разработка такого процесса, который сочетал бы в себе преимущества мартеновского и конвертерного способов производства стали. Такая задача была решена компанией VÖST (Австрия) в 1952 г., когда в городе Линце, а в 1953 г. и в г. Доновице были пущены в эксплуатацию конвертерные цехи с верхним кислородным дутьем. Процесс этот получил название LD – первые буквы слов Linz Düsenferfahren - фурменный процесс в Линце. Опыт показал, что в таких конвертерах можно перерабатывать до 25% металлолома, металл по качеству не уступает мартеновскому, процесс высокопроизводительный.

Следует отметить, что идея использования кислорода при выплавке стали, высказывалась и Г. Бессемером, и Д.И. Менделеевым. Первые промышленные опыты по продувке чугуна технически чистым кислородом были проведены в 1937 г. Н.И. Мозговым. В 1946 – 1949 г.г. обширное исследование в этом направлении были проведены под руководством академика И.П. Бардина.

В настоящее время разработан ряд разновидностей кислородно-конвертерного процесса, включая процессы с нижним кислородным дутьем и комбинированные: с нижним и верхним кислородным дутьем, с продувкой металла кислородом и природным газом, аргоном и др.

На сегодняшний день кислородно-конверторный процесс является основным способом производства стали, он постоянно совершенствуется и вытесняет морально устаревший мартеновский процесс.

Это объясняется целым рядом факторов: более высокой производительностью агрегатов, меньшими капитальными затратами на единицу продукции, легкостью механизации и автоматизации процесса, органическим сочетанием цикла выплавки стали с циклом непрерывной разливки плавки.

Идея непрерывной разливки стали впервые была высказана Г. Бессемером, предложившим осуществлять бесслитковую прокатку, заливая сталь в калибр определенного сечения между вращающимися валками. Реализация идеи и ее освоение началось через столетие, когда в 1960 г. на Донецком металлургическом заводе была пущена в эксплуатацию 4-х ручьевая установка вертикального типа, рассчитанная на разливку стали из 140-тонного ковша.

Впервые в мировой практике в 1966 г. на Ново-Липецком металлургическом комбинате освоена разливка всей выплавляемой кислородно-конверторной стали непрерывным способом.

В наше время основными направлениями технического прогресса в сталеплавильном производстве являются:

- увеличение объема выплавки стали кислородно-конвертерным и электродуговым методами;

- широкое внедрение способов внепечной обработки стали, обеспечивающих увеличение производительности сталеплавильных агрегатов и повышение качества металлопродукции;

- разливка стали непрерывным способом. что позволяет увеличить выход годных заготовок, повысить их качество и упростить организационную структуру сталеплавильных цехов и металлургических заводов в целом.