1.3. Производство стали

Сталь - важнейший конструкционный материал, используемый в машиностроении. Сталь это сплав железа с углеродом с содержанием его менее 2,14%. Обычно содержание углерода в стали не превышает 1,3%. Кроме углерода в стали всегда имеются и другие компоненты как полезные - улучшающие качество стали, так и вредные - ухудшающие ее свойства. Полезные добавки можно подразделить на технологические (вводимые в сталь любой марки) и легирующие (вводимые в сталь лишь некоторых марок).

К технологическим добавкам относят Mn до 0,9% для уменьшения красноломкости и Si до 0,5% для предотвращения пористости, связанной с возможностью образования пузырьков окиси углерода. Для надежного исключения пористости в сталь вводится также Al в количествах 0,02 - 0,05%. Для придания стали тех или иных свойств (жаростойкости, жаропрочности, износостойкости и др.) в сталь вводится Ni, Cu, Cr, W, V, Ni. Кроме того, в качестве легирующих добавок могут использоваться Mn и Si свыше 1%.

К вредным компонентам относятся S, P, Sn и др.

Классификация способов получения стали

Сталь может быть получена по двум схемам:

 двухстадийной схеме: вначале получают передельный чугун в доменных печах, а затем из передельного чугуна получают сталь. В настоящее время по этой схеме получают 98% всей стали;

 одностадийная схема: схема прямого получения стали из железной руды (руда - губчатое железо - сталь). В настоящее время по этой схеме получают лишь 2% стали.

1.3.1. Двухстадийная схема получения стали

Существуют три основных способа получения стали из передельного чугуна:

 в кислородных конвертерах: около 30% всей стали, производимой в нашей стране, получают этим способом.

 в мартеновских печах: этим способом производится около 50 % всей производимой в нашей стране стали.

 в электрических печах (дуговых и индукционных) 20%.

Для получения стали из передельного чугуна необходимо:

- уменьшить содержание углерода до заданного значения

- довести содержание Mn, Si и других элементов до установленных нормативных значений;

• уменьшить содержание вредных примесей до минимального значения.

Получение стали в мартеновской печи

Мартеновская печь - это печь отражательного типа (рис.1.4.), пламенная, подовая, регенеративная. Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строения. Верхнее строение, расположенное над рабочей площадкой цеха, состоит из плавильного пространства, головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоят из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Плавильное пространство ограничено передней стенкой с завалочными окнами, задней стенкой с выпускными отверстиями, подом и сводом. В торцах плавильного пространства расположены головки. Воздух, проходящий через один из регенераторов, нагревается до температуры 1100…1200 ^ОС и поступает в головку печи, где смешивается с металлургическим топливом (природный газ, мазут): на выходе образуется факел пламени, направленный на шихту. Воздух нагревается до температуры 1100…1200 ^ОС, проходя через один из регенераторов. Продукты горения, имеющие температуру 1500…1600 ^ОС, проходят через противоположную головку, шлаковики (очистные устройства), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли.

Вентилятор

Рис.1.4.Схема мартеновской печи:

Затем газы направляются во второй регенератор, нагревая его насадку до температуры1250…1289 ^ОС. Охлажденные и очищенные газы покидают печь через дымовую трубу. В рабочем пространстве происходит смешение топлива с воздухом и сгорание его с образованием факела пламени, имеющего температуру t = 1800...2000 ^ОС. Мартеновские печи футеруются основными и кислыми огнеупорами.

В основных мартеновских печах выплавляют углеродистые, конструкционные, низко- и среднелегированные стали.

В кислых мартеновских печах выплавляют высококачественные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основной шлак для удаления серы и фосфора, применяют шихту с низким содержанием этих элементов. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода чем выплавленные в основных печах. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства. Используют эту сталь для изготовления коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников и др.

Мартеновский процесс классифицируется:

- по типу футеровки (основные, кислые);

- по шихтовке (скрап процесс, скрап - рудный процесс).

Исходные материалы для получения стали в мартеновской печи: передельный чугун (твердый или жидкий), металлический лом, железная руда, флюсы (при основной футеровке - известняк, при кислой - кварцит).

Заметим, что основная масса стали, выплавляемая в мартеновских печах, приходится на печи с основной футеровкой. Температура в печи примерно t  2000 С. Мартеновскую плавку можно условно разбить на следующие этапы: заправку печи; завалку печи; плавление шихты; окислении кремния, марганца, железа (формирование металлургического шлака) кипение ванны; раскисление металла; доводка плавки; выпуск стали и шлака.

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун и скрап любого состава и в любой пропорции.

В зависимости от состава шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей: скрап процесс, при котором основной составной частью шихты является стальной скрап; кроме скрапа, в шихте содержится некоторое количество чугуна 25...45% (твердый чугун)¹; скрап - рудный процесс, при котором используются жидкий чугун, скрап и железная руда как носителя кислорода (твердые составляющие). Основная масса шихты - жидкий чугун (55...75% от массы шихты)²; рудный процесс с использованием жидкого чугуна без скрапа или с малым его количеством и с применением железной руды для окисления примесей ванны.

Мартеновский процесс длится в зависимости от объема печи 8-12 ч. В последнее время для повышения производительности процесса и снижения себестоимости производства стали в печь подается кислород, что приводит к уменьшению расхода топлива на 10% и увеличивает выплавку стали на 20...30%. Помимо этого, для получения стали используются двухванновые мартены (рис.1.5.), что резко экономит металлургическое топливо за счет более полного использования тепла отходящих газов и повышает производительность процесса.

Рис. 1.5.Схема двухванновой мартеновской печи

Двухванновая печь не имеет регенераторов. Когда в правой ванне (позиция А) идет нагрев и плавление исходных твердых материалов, т.е. идут процессы, требующие наибольшей затраты теплоты, в левой происходит продувка кислородом жидкого чугуна через продувочную фурму. Выделяющаяся окись углерода направляется в правую ванну и сгорает над твердыми переплавляемыми шихтовыми материалами при участии кислорода, вдуваемого через дожигающую фурму в правой части печи.