Способ получения высококачественной стали

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

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