Способы выплавки черных металлов

Выплавка стали: технология, способы, сырье

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн — это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.

Вода — важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун — это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление — процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

• Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
• Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
• Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO₂, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 — 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

• Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
• Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
• Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

К недостаткам можно отнести большое энергопотребление.

Источник

Способы выплавки стали

В основном дуговой электропечи сталь выплавляют на свежей шихте с окислением или методом переплава отходов с окислением и без окисления. В последнее время становится распространенным метод смешения в ковше. В зависимости от полноты удаления шлака окислительного периода из печи плавки можно вести одно- или двушлаковым процессом.

Выплавка стали на свежей шихте с окислением

Для способа выплавки стали с окислением на свежей шихте характерно наличие всех периодов плавки в дуговой пе­чи — от загрузки до выпуска с четким разграничением каждого из них. Описание физико-химических процессов отдельных периодов и технологии их проведения даны в предыдущих главах. При назначении марки стали для выплавки следует учитывать состояние печи и сразу пос­ле ее ремонта не назначать сталь с повышенной тепловой нагрузкой как по температурному режиму, так и по про­должительности. Легированные стали особенно ответственных марок целесообразно начинать плавить через три-пять плавок после полного ремонта стен электропечи. Выплавка стали на свежей шихте с окислением — наиболее распространенный способ. Однако продолжи­тельность плавки при этом методе максимальная.

Выплавка стали методом переплава отходов

В окис­лительным период в металлической ванне окисляются такие элементы как кремний, марганец, хром, ванадий и др. Образующиеся оксиды переходят в шлак и удаля­ются из печи. Для максимального использования леги­рующих элементов шихты плавку можно вести без окислительного периода методом переплава отходов.

Отсутствие окислительного периода при этом методе обусловливает невозможность удаления углерода и фос­фора, содержащихся в шихте. Поэтому содержание этих элементов в шихте должно быть ниже, чем в готовой стали. Шихту составляют из 60—80% легированных отхо­дов и 20—40 % мягкого железа, а также ферросплавов. Мягкое железо используют в виде специально выплав­ленных заготовок. Экономически целесообразно заменять мягкое железо отходами низкоуглеродистой и низкофосфористой стали. В процессе плавки металл частично науглероживается от электродов, раскислителей и легиру­ющих добавок. Поэтому содержание углерода в шихте должно быть на 0,03—0,06% ниже, чем в готовой стали. Содержание фосфора в шихте должно быть не выше 0,015—0,02 %, а содержание легирующих элементов в шихте должно быть близко к нижнему пределу, требуе­мому техническими условиями на данную марку.

При загрузке шихты тугоплавкие составляющие (мяг­кое железо, ферровольфрам) следует загружать в сере­дину ванны под электроды, а феррохром, способный на­углероживаться от электродов, ближе к откосам.

В процессе плавления некоторые элементы шихты окисляются в той или иной степени кислородом воздуха и оксидами, содержащимися в шихтовых материалах. Для ориентировочных расчетов можно принимать следующий угар элементов:

Для ошлакования образующихся оксидов в период плавления вводят известь в количестве 1,5 2 % от массы металла.

Состав шлака в конце плавления колеблется пример­но в следующих пределах: 30—40% CaO; 15—3% SiO₂, 6—15% MnO, 2—4% Al₂O₃, 4—10% FeO, 8—18 % MgO.

Если в составе шлака по расплавлении отсутствуют окси­ды ценных легкоокисляющихся элементов, шлак скачи­вают и наводят новый — белый, карбидный или другой шлак (согласно технологическим инструкциям для стали данной марки). Если в составе шлака имеются оксиды ценных легирующих элементов (вольфрама, хрома, ва­надия), шлак обрабатывают молотым коксом или фер­росилицием. Это позволяет большую часть оксидов ука­занных элементов восстановить. Затем скачивают шлак и начинают восстановительный период по той же технологии, что и в плавках с окислением.

Переплав шихты, состоящей из высоколегированных отходов, ведут с частичным окислением углерода газо­образным кислородом.

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода в металле по расплавлении было на 0,1—0,25 % выше конечного содержания углерода в стали. а содер­жание фосфора ниже допускаемого в стали. Расчетное содержание кремния при выплавке стали с содержанием 6% Cr) 0,9-1,4%. Присутствие кремния в шихте ускоряет ее расплавление при продув­ке кислородом. При загрузке лома, легированного алю­минием, расчетное содержание кремния снижается.

Продувать ванну кислородом начинают после полно­го расплавления при выключенной печи и заканчивают при достижении содержания углерода, обеспечивающего нормальное проведение рафинирования и получения за­данного химического состава. По окончании продувки металл обычно раскисляют силикомарганцем и дают нагретый феррохром. Иногда для охлаждения ванны подсаживают кусковую шихту того же состава (или близкий по составу) в количестве до 5% от массы шихты. Печь включают и продувочный шлак, содержащий большое количество оксидов хрома, раскисляют дробленым силикохромом (10-30 кг/т), порошкообразным ферросилицием (5-7 кг/т) и алюминием (1-2 кг/т) в смеси со свежеобоженной известью (20-25 кг/т).

После восстановления хрома из шлака последний скачивают и наводят основной шлак, который обрабатывают порошкообразным ферросилицием, силикокальцием или коксом до получения белого рассыпающегося шлака. Возможность проведения дегазации металла позволяет рекомендовать этот метод для выплавки сталей с повышенным содержанием хрома и прежде всего нержавеющих.

Выплавка стали одношлаковым процессом

Если к стали не предъявляют жестких требований по содержанию серы, а иногда в случае последующей обработке стали в ковше синтетическим шлаком, плавку можно проводить под одним шлаком. Дефосфорация металла совмещается с расплавлением. Окислительный шлак специально из печи не удаляют, а после достижения требуемого содержания углерода и ≤0,035% P в ванну вводят ферросилиций и ферромарганец, а также необходимые легирующие элементы. Окончательно металл раскисляют в ковше кусковым ферросилицием и алюминием в количестве 0,5-1,0 кг/т.

Продолжительность плавки при одношлаковом процессе сокращается на 1-1,5 ч, на 15-20 % снижается расход электроэнергии, уменьшается расход шлакообразующих и ферросплавов и одновременно снижается трудоемкость ведения плавки.

Технико-экономические показатели при выплавке на свежей шихте с окислением и методом переплава отходов

При выплавке стали методом переплава отходов исключается окислительный период, что сокращает общую продолжительность плавки. Вместе с тем длительность расплавления шихты в этом случае, как правило, возрастает, что объясняется присутствием в шихте тугоплавкого мягкого железа. Как показывает практика работы электропечей разной емкости, длительность плавок, проводимых методом переплава, на 8-35% меньше длительности плавок на свежей шихте с окислением и со­ответственно выше производительность печи. На плавках без окисления одновременно на 10—20% уменьшается удельный расход электроэнергии и на 10—20% снижа­ется удельный расход электродов. Стойкость футеровки стен возрастает на 10—20 плавок, что приводит к сни­жению удельного расхода огнеупоров. Особенно важным преимуществом этого метода является высокая степень использования легирующих элементов, содержащихся в отходах, что снижает расход ферросплавов и значитель­но уменьшает себестоимость стали.

Вместе с тем при переплаве отходов нельзя удалить фосфор из металла. Однако отходы легированной стали, особенно электростали, обычно содержат мало фосфора (0,015—0,02%). Такие отходы можно применять в плав­ках без окисления.

Достаточно полное сравнение качества стали, выплав­ляемой с окислением и без окисления, провести затруд­нительно. По сообщению А. Д. Крамарова, в некоторых случаях, например при выплавке стали 38ХМЮА, каче­ство стали, выплавляемой без окисления, не уступает ка­честву стали, выплавленной с окислением. В других слу­чаях, например при выплавке стали 12Х2Н4ВА, пласти­ческие свойства стали, выплавленной без окисления, несколько ниже, чем при выплавке стали с окислением. Можно полагать, что метод выплавки стали не оказывает столь решающего влияния на ее качество, как качест­во исходной шихты, технология проведения восстановительного периода, разливка и т. д. В целом качество ста­ли, выплавленной по обоим сравниваемым способам, отвечает требованиям, предъявляемым к ней технически­ми условиями.

Количество легированных отходов, поступающих в электросталеплавильные цехи из кузнечных, прокатных и других цехов и от машиностроительных заводов, до­стигает 50—60% от производства стали. Учитывая опре­деленные технико-экономические преимущества выплав­ки стали методом переплава, этот способ находит широ­кое применение на отечественных заводах.

Показатели для плавок, проводимых на легирован­ных отходах с окислением газообразным кислородом, среднее между показателями для переплава отходов и плавок на свежей шихте с окислением.

Источник