Экономичный способ выплавки стали это

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Источник

Способы выплавки стали

В основном дуговой электропечи сталь выплавляют на свежей шихте с окислением или методом переплава отходов с окислением и без окисления. В последнее время становится распространенным метод смешения в ковше. В зависимости от полноты удаления шлака окислительного периода из печи плавки можно вести одно- или двушлаковым процессом.

Выплавка стали на свежей шихте с окислением

Для способа выплавки стали с окислением на свежей шихте характерно наличие всех периодов плавки в дуговой пе­чи — от загрузки до выпуска с четким разграничением каждого из них. Описание физико-химических процессов отдельных периодов и технологии их проведения даны в предыдущих главах. При назначении марки стали для выплавки следует учитывать состояние печи и сразу пос­ле ее ремонта не назначать сталь с повышенной тепловой нагрузкой как по температурному режиму, так и по про­должительности. Легированные стали особенно ответственных марок целесообразно начинать плавить через три-пять плавок после полного ремонта стен электропечи. Выплавка стали на свежей шихте с окислением — наиболее распространенный способ. Однако продолжи­тельность плавки при этом методе максимальная.

Выплавка стали методом переплава отходов

В окис­лительным период в металлической ванне окисляются такие элементы как кремний, марганец, хром, ванадий и др. Образующиеся оксиды переходят в шлак и удаля­ются из печи. Для максимального использования леги­рующих элементов шихты плавку можно вести без окислительного периода методом переплава отходов.

Отсутствие окислительного периода при этом методе обусловливает невозможность удаления углерода и фос­фора, содержащихся в шихте. Поэтому содержание этих элементов в шихте должно быть ниже, чем в готовой стали. Шихту составляют из 60—80% легированных отхо­дов и 20—40 % мягкого железа, а также ферросплавов. Мягкое железо используют в виде специально выплав­ленных заготовок. Экономически целесообразно заменять мягкое железо отходами низкоуглеродистой и низкофосфористой стали. В процессе плавки металл частично науглероживается от электродов, раскислителей и легиру­ющих добавок. Поэтому содержание углерода в шихте должно быть на 0,03—0,06% ниже, чем в готовой стали. Содержание фосфора в шихте должно быть не выше 0,015—0,02 %, а содержание легирующих элементов в шихте должно быть близко к нижнему пределу, требуе­мому техническими условиями на данную марку.

При загрузке шихты тугоплавкие составляющие (мяг­кое железо, ферровольфрам) следует загружать в сере­дину ванны под электроды, а феррохром, способный на­углероживаться от электродов, ближе к откосам.

В процессе плавления некоторые элементы шихты окисляются в той или иной степени кислородом воздуха и оксидами, содержащимися в шихтовых материалах. Для ориентировочных расчетов можно принимать следующий угар элементов:

Для ошлакования образующихся оксидов в период плавления вводят известь в количестве 1,5 2 % от массы металла.

Состав шлака в конце плавления колеблется пример­но в следующих пределах: 30—40% CaO; 15—3% SiO₂, 6—15% MnO, 2—4% Al₂O₃, 4—10% FeO, 8—18 % MgO.

Если в составе шлака по расплавлении отсутствуют окси­ды ценных легкоокисляющихся элементов, шлак скачи­вают и наводят новый — белый, карбидный или другой шлак (согласно технологическим инструкциям для стали данной марки). Если в составе шлака имеются оксиды ценных легирующих элементов (вольфрама, хрома, ва­надия), шлак обрабатывают молотым коксом или фер­росилицием. Это позволяет большую часть оксидов ука­занных элементов восстановить. Затем скачивают шлак и начинают восстановительный период по той же технологии, что и в плавках с окислением.

Переплав шихты, состоящей из высоколегированных отходов, ведут с частичным окислением углерода газо­образным кислородом.

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода в металле по расплавлении было на 0,1—0,25 % выше конечного содержания углерода в стали. а содер­жание фосфора ниже допускаемого в стали. Расчетное содержание кремния при выплавке стали с содержанием 6% Cr) 0,9-1,4%. Присутствие кремния в шихте ускоряет ее расплавление при продув­ке кислородом. При загрузке лома, легированного алю­минием, расчетное содержание кремния снижается.

Продувать ванну кислородом начинают после полно­го расплавления при выключенной печи и заканчивают при достижении содержания углерода, обеспечивающего нормальное проведение рафинирования и получения за­данного химического состава. По окончании продувки металл обычно раскисляют силикомарганцем и дают нагретый феррохром. Иногда для охлаждения ванны подсаживают кусковую шихту того же состава (или близкий по составу) в количестве до 5% от массы шихты. Печь включают и продувочный шлак, содержащий большое количество оксидов хрома, раскисляют дробленым силикохромом (10-30 кг/т), порошкообразным ферросилицием (5-7 кг/т) и алюминием (1-2 кг/т) в смеси со свежеобоженной известью (20-25 кг/т).

После восстановления хрома из шлака последний скачивают и наводят основной шлак, который обрабатывают порошкообразным ферросилицием, силикокальцием или коксом до получения белого рассыпающегося шлака. Возможность проведения дегазации металла позволяет рекомендовать этот метод для выплавки сталей с повышенным содержанием хрома и прежде всего нержавеющих.

Выплавка стали одношлаковым процессом

Если к стали не предъявляют жестких требований по содержанию серы, а иногда в случае последующей обработке стали в ковше синтетическим шлаком, плавку можно проводить под одним шлаком. Дефосфорация металла совмещается с расплавлением. Окислительный шлак специально из печи не удаляют, а после достижения требуемого содержания углерода и ≤0,035% P в ванну вводят ферросилиций и ферромарганец, а также необходимые легирующие элементы. Окончательно металл раскисляют в ковше кусковым ферросилицием и алюминием в количестве 0,5-1,0 кг/т.

Продолжительность плавки при одношлаковом процессе сокращается на 1-1,5 ч, на 15-20 % снижается расход электроэнергии, уменьшается расход шлакообразующих и ферросплавов и одновременно снижается трудоемкость ведения плавки.

Технико-экономические показатели при выплавке на свежей шихте с окислением и методом переплава отходов

При выплавке стали методом переплава отходов исключается окислительный период, что сокращает общую продолжительность плавки. Вместе с тем длительность расплавления шихты в этом случае, как правило, возрастает, что объясняется присутствием в шихте тугоплавкого мягкого железа. Как показывает практика работы электропечей разной емкости, длительность плавок, проводимых методом переплава, на 8-35% меньше длительности плавок на свежей шихте с окислением и со­ответственно выше производительность печи. На плавках без окисления одновременно на 10—20% уменьшается удельный расход электроэнергии и на 10—20% снижа­ется удельный расход электродов. Стойкость футеровки стен возрастает на 10—20 плавок, что приводит к сни­жению удельного расхода огнеупоров. Особенно важным преимуществом этого метода является высокая степень использования легирующих элементов, содержащихся в отходах, что снижает расход ферросплавов и значитель­но уменьшает себестоимость стали.

Вместе с тем при переплаве отходов нельзя удалить фосфор из металла. Однако отходы легированной стали, особенно электростали, обычно содержат мало фосфора (0,015—0,02%). Такие отходы можно применять в плав­ках без окисления.

Достаточно полное сравнение качества стали, выплав­ляемой с окислением и без окисления, провести затруд­нительно. По сообщению А. Д. Крамарова, в некоторых случаях, например при выплавке стали 38ХМЮА, каче­ство стали, выплавляемой без окисления, не уступает ка­честву стали, выплавленной с окислением. В других слу­чаях, например при выплавке стали 12Х2Н4ВА, пласти­ческие свойства стали, выплавленной без окисления, несколько ниже, чем при выплавке стали с окислением. Можно полагать, что метод выплавки стали не оказывает столь решающего влияния на ее качество, как качест­во исходной шихты, технология проведения восстановительного периода, разливка и т. д. В целом качество ста­ли, выплавленной по обоим сравниваемым способам, отвечает требованиям, предъявляемым к ней технически­ми условиями.

Количество легированных отходов, поступающих в электросталеплавильные цехи из кузнечных, прокатных и других цехов и от машиностроительных заводов, до­стигает 50—60% от производства стали. Учитывая опре­деленные технико-экономические преимущества выплав­ки стали методом переплава, этот способ находит широ­кое применение на отечественных заводах.

Показатели для плавок, проводимых на легирован­ных отходах с окислением газообразным кислородом, среднее между показателями для переплава отходов и плавок на свежей шихте с окислением.

Источник