2. Виробництво сталі

Сталь – найпоширеніший конструкційний матеріал сучасності.

Сталь, на відміну від чавуну, має в своєму складі менше вуглецю та домішок, кращі механічні і технологічні властивості, вона має високу міцність, пластичність, ударну в'язкість, добре обробляється тиском, різанням, має добрі ливарні та зварювальні властивості.

Сировиною для виробництва сталі є переробний чавун, скрап (металобрухт), флюси, окислювачі та легуючі елементи (для отримання легованої сталі).

Чавун – використовують як розплавлений (безпосередньо з дом­ни), так і твердий.

Скрап – відходи лиття, штампування, різання.

Флюси – вапняк (СаСО₃) і вапно (СаО).

Окислювачі – носії кисню, потрібного для окислення домішок. Окислювачами можуть бути кисень, залізна руда.

Сутність переробки чавуну в сталь полягає в оптимальному зни­женні у залізо-вуглецевому сплаві вмісту вуглецю, марганцю, кремнію, шкідливих домішок (сірки, фосфору) та газів.

В процесі плавки вуглець, з'єднуючись з киснем, утворює СО, який згоряє і звітрюється. Марганець, кремній і фосфор утворюють оксиди МnО, SіO₂, Р₂O₅, а сірка – сполуки СаS, які у вигляді шлаку сплива­ють на поверхню і вилучаються.

Щоб вилучити гази, сталь розкислюють (вилучають кисень) і дега­зують.

Для одержання теплової енергії, необхідної при розплавленні ших­ти, використовують паливо (мазут, природний, доменний і коксовий гази, кам'яновугільний пил), а також хімічну, електричну та інші види енергії.

В сучасній промисловості використовують три основних традиційних способи виробництва сталі: киснево-конвертерний, мартенівський і електрометалургійний.

Киснево-конвертерне отримання стадії

Сутність конвертерного отримання сталі, запропонованого Бесемером в

1856 р., полягає в продуванні стисненим повітрям під тиском 0,2 – 0,25 МПа розплавленого чавуну, що знаходиться в спеціальній грушовидній посудині (конвертері).

На зміну цим конвертерам в 1933 р. прийшли кисневі конвертери.

Конвертер має форму груші (рис. 11.1). З середини він футерований вогнетривким матеріалом 2, іззовні окутий сталевим кожухом 1 і за допомогою роликів може повертатись навколо горизонтальої вісі на 180°.

Верхня частина конвертера має горловину 3 для завантаження ших­ти, заливання чавуну, випускання шлаку, подачі кисню під тиском 0,9 – 1,4 МПа через фурми 5. Збоку конвертера є льотка 4, для виливан­ня сталі 6.

Для завантаження шихти конвертер нахиляють, завантажують скрап, заливають розплавлений чавун, засипають флюси і повертають у вертикальне (робоче) положення.

Після закінчення плавки фурми витягують, конвертер повертають у горизонтальне положення, виконують хімічний аналіз проб металу та шлаку. Сталь через льотку випускають у ковш, а шлак через горловину – у шлаковози. Плавка триває до 50 хв.

У кисневих конвертерах отримують більшість вуглецевих сталей і частину малолегованих.

Мартенівське отримання сталі

Мартенівський спосіб виплавки сталі був запропонований в 1864 р. металургами батьком і сином Мартенами. Цей спосіб виник внаслідок потреби у переплавленні твердої шихти (скрапу). Піч для виплавки сталі цим способом отримала назву мартенівської (мартена).

У сучасних мартенах сталь виплавляють з твердого або рідкого ча­вуну, стального і чавунного скрапу, залізної руди, окалини, феросп­лавів з додаванням флюсів. Використовується тверде, легке, газо­подібне і змішане паливо.

На рис. 11.2 надано схему мартенівської печі, яка має ванну 7, в якій варять сталь, регенератори 5 для нагрівання палива та повітря. Через вікна 4 у ванну завантажують шихту, беруть проби сталі та шлаку на аналіз і контролюють плавку. Ванна разом із склепінням утворює плавильну камеру 3.

Зварену сталь випускають через отвори (льотки), розташовані вни­зу ванни, вище розташовані льотки для випуску шлаку.

Лотки щільно забивають вогнетривкою глиною. Вогнетриви з льоток вибивають перед випуском сталі та шлаку.

Процес плавки в мартенах безперервний. Печі із склепінням, викладеним динасовою вогнетривкою цеглою, витримують 200 – 300 пла­вок, а хромомагнезитовою – 300 – 1000. Об'єм ванн сучасних домен 200 – 900 т, час однієї плавки від 3 до 18 год залежно від об'єму ванни.

Найчастіше застосовують скрап-рудний процес, при якому використовують 50 – 75 % рідкого чавуну, решта – скрап і залізна руда. Скрап-рудний процес включає такі операції:

• заправлення подини і відкосів ванни вогнетривами;

• завантаження та прогрівання твердих складових шихти;

• заливання рідкого розплавленого чавуну;

• розплавлення шихти;

• кипіння розплаву;

• розкислення легування та випуск сталі і шлаку.

Для випуску готової сталі пробивають льотку і сталь випускають у сталерозливний ковш.

У мартенах виплавляють вуглецеві та леговані сталі (якісні та висо­коякісні).