Способы выплавки стали мартеновский способ

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

Учебные материалы

Этим способом выплавляется более 50% стали. Существует порядка 140 лет (1865 г.). Мартеновская печь может развивать температуру до 2000°С, благодаря регенеративному использованию тепла.

Мартеновская печь – это печь регенеративного типа, в которой тепло отходящих сгоревших газов используется для нагрева подаваемых в печь топлива (газа) и холодного воздуха через посредства газовых и воздушных регенераторов. Они представляют камеры с насадкой из шамотного огнеупора. Отходящие газы с температурой до 1600°С, проходя регенераторы и омывая насадку, отдают им свое тепло, нагревая кирпичи насадки до 1100-1200°С. В атмосферу отработанный газ–дым уходит с температурой только

Мартеновская печь – это также отражательная печь, что создает высокую температуру в центре печи (1600-1800°С).

Регенераторов по два по обе стороны печи – один (побольше) для подогрева воздуха, второй для подогрева газа. Переключение хода дымовых газов, топлива (газа) и воздуха через печь – регенератор – дымовая труба и наоборот осуществляется автоматически путем переключения клапанов и заслонок. На выходе из печи ставят термопары, которые и командуют автоматической линией переключения клапанов.

Для интенсификации металлургических процессов в печь подается кислород. Его сначала путем обогащения воздушного дутья до 25% подают вместе с воздухом через форсунку навстречу горючему газу – это ускоряет расплавку шихты. Затем, когда шихта расплавляется – период кипения, кислород через охлаждаемые водой трубы сверху подается прямо в расплавленный металл для повышения температуры ванны и лучшего удаления вредных примесей S и Р.

Задняя стенка печи на уровне пода печи имеет специальное отверстие – летку, для выпуска металла и шлака (под печи имеет наклон к летке).

Перед загрузкой шихты летка выбивается огнеупорной кладкой. Загрузка происходит через окна (спереди). Шихта идущая в мартен предварительно обрабатывается – крупные куски разбиваются и придают им определенный габарит. Чугунные ящики, в которых подается шихты, называются мульдами. Загрузка механизирована – заезжают и высыпают в печь.

После загрузки окна закрываются, подается газ (топливо). Газ из газопровода попадает в заслонку, получает направление и попадает в регенератор. Здесь по принципу противотока температура его доходит до 1100°С. Далее подогретый газ попадает в смесительную камеру, где смешивается с воздухом и на выходе из форсунок сгорает. Расплавленная ванна в мартене представляет собой две не смешиваемые жидкости: сверху шлак, а внизу металл.

Современные мартеновские печи обычно делают объемом 100, 150, 300, 400, 500 и 900 т (реже).

Футеровка бывает основная и кислая. В основной (большинство мартенов), в которой подина и стенки футерованы основным магнезитовым огнеупором, свод футерован кислым динасовым или нейтральным кирпичом. В кислых печах динасом футеруются подина и стенки (шихта содержит меньше S и Р и объем печи меньше, чем печи с основной футеровкой).

Существует три основных процесса плавки:

1. Скрап-процесс (твердая завалка): шихта состоит на 55-75% из металлического лома (скрапа) и 45-25% из твердого чушкового чугуна (массой 45-55 кг).
2. Чугунно-рудный процесс – жидкий чугун с добавкой железной руды. Этот процесс возможен только там, где имеются доменные печи.
3. Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит на 60-70% из твердого чушкового чугуна и руды, на 40-30% из скрапа.

Процесс плавки длится 7-12 ч в зависимости от емкости печи и условий производства. В течение плавки делается анализ стали экспресс лабораторией не менее 4-х раз за одну плавку. Готовая сваренная сталь разливается в ковши. Ковши 300 тонные. Когда емкость печей достигает до 900 т, то делают желоба с разветвлениями чтобы заполнить сразу несколько ковшей. Далее ковши транспортируются в разливочный пролет. Разливка стали из ковша производится либо в специальные формы – изложницы (в слитки), либо в машинах непрерывного литья (разливки) заготовок.

Источник