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
Европейская металлургия от костра до мартена
На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!
Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов
Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).
Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.
диаграмма Эллингема
Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).
Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).
Сыродутная печь
Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.
Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.
Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.
Схема современной доменной печи
Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.
С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.
Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.
Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.
Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.
Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.
Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива
Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.
Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.
Принцип работы любого конвертера
Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.
В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.
Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.
Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.
Божественно прекрасный томасовский конвертер
Автор: Павел Ильчук
VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Источник
