Способы производства стали их сущность

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

Сущность процесса производства стали

Сталь — это железоуглеродистый сплав, в котором содержится практически до 1,5% углерода, при большом его содержании увеличивается хрупкость и твёрдость стали, но они не широко применяются.

Предельный чугун и стальной лом являются основными исходными материалами для производства стали.

В стали малое содержание углерода, чем в чугуне.

При взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах железо окисляется:

Вместе с железом также окисляются кремний, марганец, углерод и фосфор. Оксид железа при высокой температуре отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, а так же окисляет их.

В три этапа осуществляются процессы выплавки стали.

Первый этап. Нагрев ванны жидкого металла и расплавление шихты.

Температура металла не высокая, происходит процесс окисления железа примесей, образование оксида железа, а именно марганца, кремния и фосфора.

Самая важная задача этапа — это удаление фосфора. Для этого желательно провести плавку в основной печи. Должна быть не высокая температура ванны и шлака.

Второй этап. Кипение металлической ванны, которое начинается по мере прогрева к более высоким температурам. Следовательно, при повышении температуры быстрее протекает реакция окисления углерода, которая происходит с поглощением теплоты:

Для того что бы, произошли окисления углерода в металл необходимо ввести малое количество руды.

Для удаления серы также создаются условия. В стали сера находится в виде сульфида, который тоже растворяется в главном шлаке. Если температура высокая, то количество сульфида железа растворяется в шлаке больше и взаимодействует с оксидом кальция:

Третий этап . Следовательно, сталь раскисляется в восстановлении оксида железа, который растворён в жидком металле.

Существуют два способа раскисления стали: осаждающее и диффузионное.

Принцип осаждающего раскисления заключается в том, что большее количество в ней кислорода переводят в нерастворимые оксиды элементов — раскислителей.

Диффузионное раскисление взаимодействует со специальным шлаком и за счёт этого происходит процесс снижения концентрации кислорода в расплаве стали.

Стали выплавляют в зависимости от степени раскисления:

При полном раскислении в печи и ковше получается спокойная сталь.

Полуспокойная сталь раскисляется промежуточно между спокойной и кипящей. Кипящая же сталь раскисляется в печи не полностью.

В различных по принципу действиях металлургических агрегатах, таких как мартеновских печах, электрических печах и кислородных конвертерах, чугун переделывается в сталь.

Мартеновский процесс в период 70-х годов 20 века являлся главным способом производства стали. Способ характеризуется не особо большой производительностью. Благодаря такому способу можно получить качественную сталь. Вместительность печи составляет приблизительно от 200 до 900 тонн.

По устройству и своему принципу мартеновская печь является пламенной отражательной регенативной печью. В ней находится плавительное пространство, которое сжигает разнообразное топливо или мазут. Для получения стали в расплавленном состоянии нужна высокая температура, благодаря ней обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Время плавки составляет от 3 до 6 часов, для крупных печей больше — до 12 часов.

Существуют разновидности мартовского процесса, которые используют при расплавке в зависимость от самого состава шихты.

1. Скрап — процесс. Шихта состоит из стального лома и 25-45% чушкового предельного чугуна. Его применяют только на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.

2. Скрап-рудный процесс. Шихта состоит из железной руды и 55-75% жидкого чугуна. Такой процесс применяют на металлургических заводах, которые имеют доменные печи.

Скрап — рудным процессом стали изготовлять большое количество в мартеновских печах с основной футеровкой. В таких печах выплавляют такие виды сталей как низко- и марганцовистые, конструктивные, углеродистые, но кроме высоколегированных.

В нашей стране в мартеновских печах выплавляют около 20% всей стали. В последние годы доля мартеновского способа производства стали сократилась из-за развития электросталеплавильного и кислородно-конвертного производств.

Получение стали в электрических печах, машиностроительных и металлургических заводов называется электросталеплавильное производство.

Получение стали в сталеплавильных агрегатах — конвертерах путём продувки жидкого чугуна кислородом или воздухом называется кислородно-конверторное производство.

Кислородный конвертер выглядит в виде сосуда грушевидной формы из стального листа, который футерованный основным кирпичом.

Тоннаж конвертера от 130 до 350 тонн жидкого чугуна. Во время процесса работы конвертера может поворачиваться на 360 градусов для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива шлака и стали.

Основные шихтовые материалы кислородно-конвертного процесса: стальной лом, известь для наведения шлака, жидкий предельный чугун, плавиковый шпат для разжижения шлака, железная руда и боксит.

Низколегированные стали, кипящие и спокойные, стали с разным содержанием углерода выплавляют в кислородных конвертерах. Конвертер для плавки ёмкостью от 130 до 300 тонн заканчивается примерно через 25-30 минут.

Более высокопроизводительным способом выплавки стали является именно кислородно-конвертерный процесс. Отсутствие топлива, меньшие затраты на строительство цехов и простота устройства конвертера — другие достоинства этого процесса.

Производство стали в электропечах. Такие печи, прежде всего, используют для выплавки высоколегированных, инструментальных, конструкционных, специальных сталей и сплавов.

Электропечи различают дуговые и индукционные.

Дуговая является более распространенным типом печей. В них проходит разряд между электродами через скрап. Поступление электрического тока происходит через трансформатор, который регулирует параметры и напряжение тока.

Выплавка в таких печах производятся высококачественные конструкционные сплавы и стали. Качество, сравнивая с конверторной и мартеновской, более высокое. Это проявляется её высокой чистотой по фосфору и сере, хорошей раскисляемостью.

Стоит учесть, что эта электросталь стоит дороже, чем конверторная или мартеновская.

Применяя кислород, повышается производительность на 15-25% и снижается расход электроэнергии более 10-15%.

Индукционная служит для плавки материалов с использованием индукционного нагрева. В частности используют индукционный тигельные печи, состоящие из представляющего собой медную водоохлаждаемую трубку, тигля и индуктора. В таких печах чаще всего выплавляют чугун, сталь, металлы, медь, алюминий, магний, сталь.

Преимущества индукционных печей заключается в том, что очень малый угар легкоокисляющихся элементов, таким образом можно выплавить сталь с очень низким содержанием углерода. В такой стали пониженное содержание азота и высокой чистоты по неметаллическим включениям. Индукционные печи высокопроизводительные и имеют высокий электрический КПД. Их недочёты заключают в том, что имеют маленькую вместительность, высокую стоимость электрооборудования и низкую стойкость основных тиглей.

студентка Торезского колледжа ДонГУУ
Малеева Виолетта

Источник