Какими способами получают сталь

Способы получения стали

Аннотация

Сталь производится бессемеровским, мартеновским, кислородно-конверторным, электродуговым, электрочастотным и тигельным процессами. И в кислотном бессемеровском и в основном бессемеровском (или томасовском) процессах обработка литого чугуна в чушках, происходит путем продувки воздухом для выдувания через него в овальном сосуде, известном как конвертер, 15-25-тонной вместимости. В мартеновском процессе, как кислотном, так и основном, необходимое для плавления тепло поставляет нефть или газ. И газ и воздух предварительно подогреваются регенераторами, два на каждой стороне печи, альтернативно нагретой отработанными газами. Регенераторы – камеры, заполненные кирпичной кладкой. Высокое содержание азота стали Бессемера является недостатком для определенных областей применения холодной штамповки и континентальные работы в последнее время были направлены на изменение процессов, в которых кислород заменяется воздухом.

Сталь производится бессемеровским, мартеновским, основная кислородно-конверторным, электродуговым, электровысокочастотным и тигельным способами.

Тигельные и высокочастотные методы

Тигельный процесс Хатсмена был заменен высокочастотной индуктивной печью, в которой тепло вырабатывается в самом металле непосредственно вихревыми токами, вызванными магнитным полем, создаваемым переменным током, который проходит вокруг охлажденной водой катушки тигля. Потоки вихря увеличиваются с квадратом частоты, и необходим входной поток, который чередуется от 500 до 2000 герц. Поскольку частота увеличивается, потоки вихря, как правило, перемещаются ближе и ближе к поверхности шихты (то есть мелкое проникновение). Высокая температура шихты зависит от площади поперечного сечения, которая проводит ток, и большие печи используют частоты достаточно низкие, чтобы получить соответствующее проникновение тока.

Автоматическая циркуляция расплава в вертикальном направлении, за счет вихревых токов, способствует однородности анализа. Загрязнение печными газами устранено и шихта от 1 до 5 тонн, может быть расплавлена с экономической выгодой. Следовательно, эти электрические печи используются, для производства высококачественных сталей, таких как шарикоподшипниковые, нержавеющие, магнитные, сталей для штампов и инструментальных сталей.

Рисунок 1. Печи для изготовления чугунных чушек и стали. RH сторона мартеновской печи показывает использование мазута вместо газа

Кислотные и основные стали

Остальные методы производства стали осуществляются путем удаления примесей из чугуна или чугунных чушек и стального лома. Удаленные примеси, однако, зависят от того, какие кислоты (кремнистая) или основная используется для шлака. Кислотный шлак требует использования кислотной футеровки печи (кремнезема); томасшлак, основной футеровки магнезитом или доломитом. Кремниевая кислота, марганец и углерод удаляют только путем окисления, поэтому сырье не должно содержать фосфор и серу в количествах, превышающих допустимые в готовой стали.

В основных процессах кремний, марганец, углерод, фосфор и сера удаляются из шихты, но обычно сырье имеет низкое содержание кремния и высокое содержание фосфора. Чтобы удалить фосфор, ванна металла должна быть окислена до большей степени, чем в соответствующем процессе окисления, и конечное качество стали зависит в значительной степени от степени этого окисления, прежде чем ферромарганец, ферросилиций, ферроалюминий – удалят необходимые оксиды железа и сформирует другие нерастворимые окиси, которые производят неметаллические включения, если они не будут удалены из расплава:

2Al + 3FeO (растворимый) = 3Fe + Al 2 O 3 (твердый)

В кислотных процессах раскисление может происходить в печах, оставляя достаточно времени для поднятия включений в шлак и удаления перед разливкой. В то время как в основных печах, раскисление редко проводится в присутствии шлака, так как фосфор может вернуться в металл. Раскисление металла часто происходит в ковше, оставляя лишь короткий промежуток времени для раскисления продуктов, которые будут удалены. По этим причинам кислотную сталь считают лучше основной для определенных целей, таких как кузнечные слитки и сталь шарикоподшипника. Введение вакуумной дегазации ускорило снижение кислотных процессов.

Бессемеровская сталь

И в кислотном бессемеровском и в основном бессемеровском (или томасовском) процессах обработка литого чугуна в чушках, происходит путем продувки воздухом через него в овальном сосуде, известном как конвертер, 15-25-тонной вместимости (рис.1). Окисление примесей доводит шихту к подходящей температуре, которая зависит от состава сырья для высокой температуры: 2% кремния в кислотном и фосфора 1,5-2 % в основном процессе, необходимы для увеличения температуры. Выдувание шихты, которое вызывает интенсивное пламя в горловине конвертера, занимает приблизительно 25 минут, и такой короткий промежуток времени делает контроль процесса немного трудным.

От кислотного бессемеровского процесса отказались в пользу мартеновского процесса, в основном из-за экономических факторов, которые, в свою очередь были убраны основной электродуговой печью в сочетании с вакуумной дегазацией.

Основной бессемеровский процесс часто для того, чтобы сделать из чугунных чушек дешевый класс стали, например, для листов корабля, структурных секций. Для изготовления стальных отливок известной модификации, используется конвертер, в котором воздух попадает на поверхность металла от стороны фурмы, а не со стороны основания. Сырье обычно плавится в горловине и взвешенное количество, подается конвертер.

Мартеновские процессы

В процессе Сименса, как кислотном, так и основном, необходима высокая температура для плавления, которая поставляется нефтью или газом. Но газ и воздух предварительно подогреваются регенераторами, двумя на каждой стороне печи, альтернативно нагретой отработанными газами. Регенераторы – камеры, заполненные кладкой блоками, кирпичом и их чередованием.

У печей есть подобный блюдцу горн, емкость которого изменяется от 600 тонн для неподвижного состояния до 200 тонн для наклона печи (рис.1). Сырье состоит по существу из чугунных чушек (холодных или расплавленных) и лома, вместе с известью в основном процессе. Окислению примесей железных руд способствует продувка кислорода, подаваемая в расплав. Время варьируется от 6 до 14 часов, и контролировать, поэтому, намного легче, чем в случае бессемеровского процесса.

Мартеновский процесс использовался для получения дешевых сортов стали, но есть тенденция к замене ОН печей крупными дуговыми печами с использованием одного процесса наведения шлака специально для плавления лома и вместе с вакуумной дегазацией в некоторых случаях.

Электродуговой процесс

Тепло, требуемое в этом процессе, создается электрической дугой, находящейся между угольными электродами и металлической ванной (рис.1). Обычно, шихта из градуированного стального лома плавится под окисленным шлаком для удаления фосфора. Нечистый шлак удаляется путем наклона печи. Второй шлак используется для удаления серы и диоксидов металла в печи. Это приводит к высокой степени очистки, и высококачественная сталь может быть сделана при чрезвычайно высоких температурах. Этот процесс широко используется для изготовления высоколегированных сталей, таких как нержавеющая, жаростойкая и быстрорежущая стали.

Продувка кислородом часто используется для того, чтобы удалить углерод в присутствии хрома и позволяет использовать лом из нержавеющей стали. Содержание азота в сталях, сделанных бессемеровским и электродуговым процессами, составляет приблизительно 0,01-0,25 % по сравнению с приблизительно 0,002-0,008 % в мартеновских сталях.

Кислородные процессы

Высокое содержание азота стали Бессемера является недостатком для определенных областей применения холодной штамповки и континентальные работы в последнее время были направлены на изменение процессов, в которых кислород заменяется воздухом. В Австрии LID процесс (Линц-Донавиц) преобразовывает низкий чугун в чушках с содержанием фосфора в сталь главным выдуванием кислородным копьем, используя основной футерованный сосуд (рис.2 b). Чтобы избежать чрезмерного тепла добавляется руда. Высококачественная сталь производится с низким содержанием водорода и азота (0,002 %). Дальнейшая модификация процесса заключается в добавлении порошка извести в струю кислорода (процесс OLP), если в используемых чугунных чушках высокое содержание фосфора.

Kaldo (шведский) процесс использует верхнюю продувку кислородом вместе с основным выровненным вращением (30 об/мин) печи, чтобы получить эффективное перемешивание (рис.2 a). Использование кислорода позволяет одновременное удаление углерода и фосфора (1,85 %) из чугунных чушек. Известь и руда добавляются. Немецкий роторный процесс использует вращающую печь с двумя кислородными соплами, одно в металле и одно над ним (рис.2 c). Использование кислорода с паром (для снижения температуры) в традиционном основном бессемеровском процессе также широко используется для получения сталей с низким содержанием азота. Эти новые технологии производства стали с низкими процентами N, S, P, которые довольно конкурентоспособны с качеством мартеновской стали.

Другие процессы, которые развиваются, являются процессом топливо–кислород–лом, процессом FOS, и процесс распыляющего сталеварение, который состоит в прохождении железа через кольцо, периферии которого предоставляют сопла, через которые кислород и потоки расположены таким способом как, чтобы дробить железо, большую поверхность, которая обеспечивает, таким образом, чрезвычайно быструю химическую очистку и преобразование в сталь.

Вакуумная дегазация также используется для специальных сплавов. Около 14 процессов можно разделить на поток, ковш, изложницы и циркуляция (например, DH и RH) методы дегазации, рис.3. Вакуум в значительной степени удаляет водород, атмосферные и летучие примеси (Sn, Cu, Pb, Sb), снижает содержание металлической окиси C-O в реакции и удаляет окиси и позволяет контролировать состав расплава, чтобы назначить отклонения. Чистый произведенный металл имеет последовательное высокое качество с хорошими свойствами в поперечном сечении проката. Подшипниковые стали значительно улучшили показатели усталости и понизили содержание углерода в нержавеющих сталях.

Рисунок 3. Методы дегазации расплавленной стали

Плавка вакуумом и ESR. Авиапромышленность постоянно требует новые стали с большей однородностью и воспроизводимостью свойств с более низким содержанием кислорода и серы. Легированные стали имеют большую склонность к макросегрегации, и существуют значительные трудности в снижении неметаллических включений и точного управления анализа реактивных элементов, таких как Ti, Al, B. Эта проблема привела к использованию трех процессов плавления:

• вакуумная индукционная плавка в резервуаре производства сплавов высокого качества (основа Ni и Co), в некоторых случаях для дальнейшей переплавки для литья по выплавляемым моделям. Чистые материалы используются, а неметаллические включения могут быть удалены.
• вакуумно-дуговой процесс переплава плавящимся электродом (рис.4) первоначально использовал для титана, для устранения водорода, и V сегрегации, а также для больших включений силиката. Это происходит из-за способа отвердевания. Движущиеся части в авиадвигателях сделаны этим процессом, из-за необходимости в высокой чистоте, однородности свойств, прочности и отсутствия водорода и неметаллических включений.
• электрошлаковое рафинирование (ESR) Этот процесс, который является больше формой от оригинального сварочного процесса, повторно плавит предварительно сформированный электрод сплава, используя электрическое сопротивление расплавленного шлака как источника тепла (рис.5). Слой шлака вокруг слитка поддерживает вертикальное однонаправленное затвердевание с основы. Элементы трампа не удалены, и свинец может быть подобран из шлака.

Рисунок 4. Типичная вакуумная печь дугового переплав

Источник

Как и из чего получают сталь

Сталь — ковкий сплав железа с углеродом и другими легирующими элементами. Ее используют для изготовления металлопроката, посуды, медицинских инструментов, механизмов и различных деталей для промышленности. Сплав почти на 99 % состоит из железа. Углерод занимает от 0,1 до 2,14 % общей массы металла. Углерод, марганец, кремний, магний, фосфор и сера изменяют физико-химические свойства стали. Количество примесей определяет способы обработки металла и сферы его применения. Производство стали занимает весомую долю черной металлургии.

Из чего делают сталь?

Сталь — одна из самых востребованных в промышленности. Железо и углерод — основные компоненты для изготовления стали. Железо отвечает за пластичность и вязкость, а углерод — за твердость и прочность.

Получают деформируемый сплав железа, который поддается механической, термической, токарной и фрезерной обработке. Литьем, прессованием, резкой, шлифовкой и сверловкой добиваются нужной формы. Стальные изделия получают с точно выверенными размерами.

Железо и углерод занимают львиную долю от общей массы, но кроме них сталь всегда содержит другие примеси. Чистота по неметаллическим включениям определяет качества стали. Оксиды, сульфиды и вредные примеси делают ее хрупкой и непластичной. Их содержание снижают очисткой или вводят дополнительные компоненты, чтобы добиться нужных физико-химических свойств.

Примеси бывают полезными и вредными. Разделение условное и означает то, что элементы улучшают химический состав стали или ухудшают его свойства. К полезным элементам относятся марганец и кремний. Сера, фосфор, кислород, азот, водород — вредные примеси в составе стали.

Как влияют полезные и вредные примеси на свойства стали?

Эффект от различных элементов в сталях:

• Марганец повышает прокаливаемость металла и нейтрализует вредное воздействие серы.
• Кремний улучшает прочность и способствует раскислению сплава, удаляя оксиды и сульфиды.
• Сера ухудшает пластичность и вязкость. Ее большое содержание проявляется красноломкостью: во время горячей обработки металл трескается в области красного или желтого каления.
• Фосфор снижает пластичность и ударную вязкость сплава. Повышенное содержание фосфора приводит к хладноломкости: при механической обработке металл трескается или разламывается на куски.
• Кислород и азот разрушают структуру стали, ухудшают вязкость и пластичность.
• Водород приводит к хрупкости металла.

Чтобы удалить вредные примеси и неметаллические включения, жидкую сталь рафинируют. Используют комбинированное рафинирование в печи и вне печи. К примеру, раскисление, десульфурацию, дегазацию и другое. За счет очистки структура металла становится однородной, а качество возрастает.

Почему сталь сравнивают с чугуном?

Металлы похожи составом и способом изготовления. Чугун и сталь — сплавы железа, отличающиеся по концетрации углерода. В чугуне его свыше 2,14 % от общей массы, а в стали — не больше 2,14 %. Кроме процентной доли углерода в сплаве, они различны по свойствам. Чугун жаростойкий, теплоемкий, легкий и устойчивый к коррозии. А сталь прочнее, тверже и легче поддается механической обработке.

Плюсы и минусы стали

Сталь классифицируется по химическому составу и физическим свойствам. Разным маркам металла характерны свои преимущества и недостатки.

По сравнению с другими сплавами сталь отличается:

• высокой прочностью;
• твердостью;
• устойчивостью к ударной, статической и динамической нагрузке;
• пригодностью к сварке, резке и гибке заготовок механическим или ручным способом;
• многолетней износостойкостью;
• доступной стоимостью.

К минусам стали относится нестойкость к коррозии, тяжелый вес и намагничивание. Чтобы изделия из стали не портились, изготавливают нержавеющие марки. Чтобы получить устойчивый к коррозии сплав, добавляют хром. Также в составе могут присутствовать никель, молибден, титан, сера, фосфор.

Способы производства

Используют три метода изготовления стали, у каждого из которых свои достоинства и недостатки.

Мартеновские печи

Применяемые печи выкладывают из хромо-магнезитового кирпича. В них плавят сырье, окисляют сплав и удаляют посторонние включения. Печи могут быть использованы для изготовления углеродистых и легированных сталей. Они нагреваются до температуры +2000оС, позволяют добавлять различные примеси.

Кислородно-конвертерный метод

Это способ, получивший звание универсального. Его используют в производстве ферромагнитных сплавов. Выплавляют сталь из жидкого чугуна и шихты. Задействуют конвертер, облицованный огнеупорными материалами. Чтобы ускорить процесс окисления, через него подают струю воздуха.

Электродуговой способ

Принцип производства заключается в выделении тепла при горении электрической дуги. Тепловой режим обеспечивает плавление сырья под температурой +6000оС. Благодаря нему получаются высококачественные сплавы. У этой группы больше остальных хорошо раскисленных сталей.

Как получают сталь?

Производство стали состоит из нескольких этапов. Нарушения технологии влияют на свойства металла.

Расплавление шихты железных руд и нагрев ванны жидкого металла

На первом этапе плавят сырье на низкой температуре. При постепенном повышении температуры окисляется железо, кремний, марганец, фосфор. Затем повышают содержание оксида кальция, чтобы удалить фосфор.

Кипение ванны металла

Повышение температуры и интенсивное окисление железа путем введения руды, окалины и кислорода. Введение добавок позволяет получить оксид железа. С ним будет взаимодействовать углерод. Образующиеся пузырьки оксида углерода приводят сплав в кипящее состояние. К пузырькам прилипают сторонние примеси, тем самым очищая состав стали. Также удаляют сульфид железа, чтобы избавиться от серы.

Раскисление стали

В этом процессе восстанавливают оксид железа, который был растворен в жидком металле. Когда плавят шихту, кислород окисляет примеси, но в готовой стали он не нужен. Кислород понижает механические свойства стали, поэтому его нужно восстановить и удалить. Раскисляют стали ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Попадая в сплав, раскислители образуют оксиды низкой плотности, а затем отходят в шлак.

Как классифицируют сталь?

Физико-механические свойства и химический состав определяют виды металла. Сталь делят по составу, методу получения, структуре и примесям. Углеродистые и легированные стали различают по содержанию углерода и легирующим элементам. Сплавы обычного и высокого качества делят по содержанию примесей. Инструментальные, конструкционные и специальные стали делят в зависимости от назначения.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь содержит углерод от 0,1 до 2,14 %. Количество углерода определяет группы стали:

• Низкоуглеродистые содержат меньше 0,3 % углерода.
• Среднеуглеродистые — от 0,3 до 0,7 %.
• Высокоуглеродистые — более 0,7 до 2,14 %.

По процентному содержанию углерода определяют структуру сплава. Сталь с 0,8 % углерода сохраняет ферритно-перлитную структуру, с повышением меняет ее на перлит и цементит. Преобразования каждой фазы отражаются на прочностных характеристиках. Также углеродистые стали разделяют на группы А, Б, В, которые в свою очередь делятся на категории и марки.

Легированные

Сталь обогащают марганцем, хромом, никелем, молибденом и другими легирующими элементами. Количество примесей считают суммарно. В зависимости от их содержания различают:

• низколегированные — до 2,5 % примесей;
• среднелегированные — от 2,5 до 10 %;
• высоколегированные — более 10 %.

Марганцем повышают прочность и твердость материала, хромом — стойкость к ударам, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Никель делает сталь упругим и стойким к высоким температурам.

Марки стали отличаются сложной структурой. Обязательно указывают их состав в порядке убывания. Начинают с доли углерода, а затем прописывают меньшие доли легирующих добавок.

Спокойные, полуспокойные и кипящие

Стали классифицируют по степени раскисления. Чем меньше в сплаве газов, тем равномернее его структура и чище состав. Спокойные стали содержат меньше закиси железа, а кипящие — большое количество оксидов. Пузырьки оксида углерода ухудшают прочностные и пластичные свойства металла. Спокойные стали стабильны, их используют в изделиях ответственного назначения. Полуспокойные марки — среднепрочные, их задействуют как конструкционный материал. Кипящие разрушаются, трескаются и плохо поддаются сварке, поэтому и стоят меньше. Они разрешены в простых конструкциях.

Строительные

Низколегированные сплавы обычного качества. Они обладают удовлетворительными механическими свойствами, выдерживают статические и динамические нагрузки, пригодны к сварке.

Инструментальные

Высокоуглеродистые или высоколегированные сплавы. Их используют для изготовления штампов, режущего и измерительного инструмента. Разделяют соответственно на штамповые металлы, сплавы для режущего и измерительного инструмента. Названия группы зависит от назначения сталей. К примеру, штамповую сталь используют для изготовления инструментов, которыми будут обрабатывать металлы под давлением.

Конструкционные

Стали с низким содержанием марганца. Их делят на цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые и другие. Используют для изготовления узлов механизмов или конструкций.

Стали специального назначения

Эти сплавы относятся к конструкционным сталям. Они бывают жаропрочными, жаростойкими, кислотоупорными, криогенными, электротехническими, парамагнитными, немагнитными.

Источник