Способы производства стали
Способы получения стали зависят от применяемого оборудования:
При первом способе выплавка стали производиться в конвертере, представляющим собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Для получения стали ,в конвертер заливают жидкий чугун, имеющий высокую температуру (1250-1400 С) и загружают известняк, металлолом. Затем подают кислород под давлением. При этом кислород быстро выжигает из чугуна избыток углерода и др. примесей, известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному продувку кислородом прекращают и сталь сливают в ковш, а шлак сливают через специальное отверстие.
В готовой стали остается кислород в виде окисла железа. Для его восстановления в ковш вводят раскислители. Если сталь полностью раскислена и при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали в качестве раскислителей вводят сначала ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.
В тех случаях, когда из стали не удален кислород при ее разливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимодействует с углеродом. с образованием окиси углерода. При интенсивном выделении окиси углерода поверхность металла как бы бурлит и сталь называют «кипящей». В этом случае в качестве раскислителей вводят только ферромарганец.
Наличие в жидком металле растворенных газов является причиной образования в слитке пустот, снижающих свойства стали. Для предотвращения образования пустот необходима дегазация жидкой стали до разлива ее в изложницы. Наиболее полная дегазация достигается обработкой стали в вакуумных камерах, в результате которой значительно повышаются плотность слитка и физико-механические свойства металла. После раскисления и дегазации сталь разливают по изложницам.
Существует два типа конвертеров- бессемеровский и томассовский, которые отличаются видом футеровки (огнеупорный материал).Для кремнистых чугунов- бессемеровский конвертер, для чугунов, обогащенных окислами фосфора- томассовский. В кислородных конвертерах выплавляют углеродистые, низколегированные и легированные стали. Из таких сталей изготовляют проволоку, трубы, рельсы.
Преимущества конвертерного способа:
1) высокая производительность;
2) компактность и простота устройства конвертера;
3) 3) низкая себестоимость стали.
Недостатки:
1)в конвертерах перерабатывается только жидкий чугун, а переработка металлолома возможна в небольшом количестве (до 10%);
2)в процессе продувки наряду с выгоранием углерода и других примесей выгорает немалая часть железа (потери металла составляют 10-15%);
3)процесс получения стали вследствие большой скорости с трудом поддается регулированию, что сокращает возможность получения стали точно определенного состава.
Конвертерную сталь применяют главным образом для изготовления изделий не требующих от металла особо высоких качеств.
Технологический процесс производства стали представлен на рис. 10.6.1
| кислород | |
 Жидкий чугун | Металлолом |
  | |
| Конвертер | |
 | |
| Разливка стали в ковш | |
| Раскисление стали | |
| Дегазация стали | |
| Разливка стали в изложницы |
Рис.10.6.1 Технологический процесс изготовления стали.
При конвертерном способе производства стали возможность переработки металлолома невелика. С ростом потребления металла и развитием машиностроения проблема утилизации отходов металлообработки и металлолома становится все более актуальной и она обусловила возникновение нового способа производства стали — в мартеновских печах.
Мартеновская печь-это печь особой конструкции пламенная печь, в которой металл плавится под непосредственным воздействием пламени горящего топлива. Мартеновская печь работает на газообразном и жидком топливе (мазуте).
В зависимости от состава шихты различают скрап-процесс и скрап-рудный процессы плавки. При скрап–процессе в печь загружаются скрап (55-75%) и чушковый чугун (25-45%). При скрап-рудном процессе в печь заливают жидкий чугун (55-75%), добавляют руду (12-20%) и скрап
Преимущества мартеновского способа:
1) процесс плавки хорошо поддается управлению, что дает возможность получать сталь высокого качества и определенного состава;
2) возможность использования постоянно возрастающих ресурсов вторичного сырья (отходы сталелитейного производства, отходы металлообработки, амортизационный лом, который образуется в процессе эксплуатации машин и металлических изделий).
Недостатки:
1) значительный расход топлива.
Одним из основных путей снижения себестоимости стали является снижение расхода топлива и увеличение производительности мартеновских печей.
Производство стали в электрических печах (дуговые и индукционные печи) является более совершенным, чем предыдущие способы. Наиболее широкое распространение в металлургической промышленности поучили дуговые электрические печи. При плавке стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов. В этих печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым электрической дугой, образуемой между электродами и металлом (служащим вторым электродом) (температура до 3500°С).
В индукционных печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым от вихревых токов, образующих от подачи на корпус индуктора тока высокой частоты. Плавку ведут быстро, поэтому металл не успевает сильно окислиться. Плавка в индукционных печах ведется в воздушной среде или вакууме.
Преимущества способа получения стали в электропечах:
1) создание высокой температуры в плавильном пространстве печи дает возможность быстро проводить плавку;
2) получать сталь и сплавы любого состава;
3) использование известкового шлака, способствует хорошему очищению металла от вредных примесей серы и фосфора;
4) возможность ведения плавки при всех режимах и условиях производства;
5) создание воздушной среды или вакуума в печи способствует хорошему раскислению и дегазации стали.
Недостатки:
1) значительный расход электроэнергии и электродов;
2) высокая стоимость получения стали.
В электропечах получают высоколегированные жаростойкие, жаропрочные и конструкционные стали и сплавы с особыми свойствами. В обычных сталеплавильных печах трудно, а иногда и невозможно получить металл, который удовлетворял бы возросшим потребностям современной техники. Поэтому большое развитие получают различные специальные способы производства высококачественных сплавов и сталей. К ним относятся плазменный, электрошлаковый, вакуумный, и другие. наиболее перспективны методы внепечной обработки стали: обработка жидкой стали в вакууме, продувка стали газами, обработка стали жидкими синтетическими шлаками.
Выбор способа производства стали зависит от ряда технических, экономических и географических факторов. Предпочтение отдается тому способу производства, который позволяет получить сталь необходимого состава и высокого качества при меньшей ее себестоимости.
Вопросы для самопроверки:
1.Назовите виды сырья используемые при производстве чугуна и стали.
2.В чем заключается доменный процесс?
3.Где используются продукты доменной плавки?
4.Назовите технико-экономические показатели плавки.
5. Каковы пути интенсификации доменного процесса?
6.Какое влияние оказывает подготовка шихтовых материалов на себестоимость чугуна?
7.В чем заключается сущность передела чугуна в сталь?
8.Назвать и охарактеризовать способы производства стали.
9. Каковы преимущества и недостатки способа производства стали в мартеновских печах?
10.В чем заключается операция «дегазация стали»?
1.Бурла М.П., Гушан В.А., Казмалы И.М..Экономика Приднестровья на переходном этапе Тирасполь.:ИПЦ «Шериф», 2000
Источник
Способы производства стали
Технологический процесс производства углеродистой стали можно разделить на два этапа. Сначала из руды выплавляется чугун, который на следующем этапе перерабатывается в сталь. При сокращении в расплавленном чугуне вкраплений углерода и иных примесей, которые в процессе плавления сгорают или отделяются в форме шлака. В качестве исходного сырья для изготовления стали используется чугун, металлолом, железные руды, также в расплавленный металл могут быть добавлены флюсы и ферросплавы. Существуют три принципиально отличающихся технологии выпуска: электрическое плавление, конвертерный метод и плавка в мартеновских печах, последний способ на сегодняшний день считается наиболее эффективным и распространенным, а производимая сталь по своему качеству выше, чем при конверторной плавке.
Мартеновский способ.
Масса загрузки мартеновских печей доходит до тысячи тонн, внутреннее пространство выполняется в виде камеры, вытянутой по горизонтальной оси и обкладывается специальным выдерживающим высокую температуру кирпичом. В верхнем отделении проложены каналы, связывающие камеру с теплообменными устройствами (регенераторами). Нижняя часть конструкции, имеет форму ванны и называется подом. Для усиления эффекта в регенераторах производится подогрев газа. В мартеновской печи плавится твердый или жидкий чугун с добавлением железной руды или стального металлолома. Углерод сгорает под воздействием высокой температуры, окисляющиеся под воздействием кислородного дутья примеси преобразуются в шлак и удаляются с поверхности расплавленного металла, сера удаляется при помощи содержащего известь флюса. За время плавления, занимающее от четырех до восьми часов, имеется возможность добавления в состав металла дополнительных компонентов, для получения на выходе легированной стали. В процессе плавления производится отбор образцов металла для химического анализа, при получении желаемых параметров расплавленная сталь выпускается в ковш, откуда разливается формам. Из стали произведенной по этому методу производят монорельсовые и подкрановые балки, фермы мостов и цеховых перекрытий, железнодорожные рельсы и арматуру.
Конверторный способ.
Печь конвертерная представляет вращающийся относительно горизонтальной оси стальной футерованный корпус грушевидной формы. При помощи ковша внутренняя часть конвертера наполняется расплавленным чугуном, через отверстия в корпусе под давлением нагнетается воздушно кислородная смесь образуя в сплаве закись железа, взаимодействующую с нежелательными в сплаве элементами, преобразовывает их в шлак или выгорающие оксиды. Метод считается экономичным и отличается высокой производительностью, занимает от пятнадцати до тридцати минут, емкость конвертерных печей достигает до шестисот тонн, полученный металл используется для производства стальных листов, балок, швеллеров, катанки и проволоки.
Электроплавка.
Электроплавильные дуговые или индукционные печи служат для получения сталей высокого качества, в печь загружают руду, скрап или стальной сплав после конвертера или из мартеновской печи, в процессе добавляются легирующие металлы. Для нагрева используется электрическая дуга между расплавом и специальными электродами. Выплавка по этой технологии позволяет получать сталь очень хорошего качества, но имеет высокую себестоимость и низкую производительность, как правило, применяются печи до двухсот тонн. В связи с этим часто применяются разные типы печей, сначала сплав готовят в конвертерной печи или мартене, а затем подается в электропечь, где доводится до более высокого качественного уровня.
Уважаемые партнеры, клиенты, заказчики. Для оперативной обработки вашей заявки указывайте в заказе каким образом необходимо подготовить металл к отгрузке. Нужно ли порезать его для транспортировки, на какую длину? Если заказываете доставку нашими силами, укажите по какому адресу и в какой город, какой транспортной компанией или каким отдельным видом транспорта необходимо произвести отправку приобретаемого вами металла.
Источник
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
