Основные сведения о способах производства сталей

Обновлено: 16.05.2024

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения.

Основными исходными материалами для производства стали являются предельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным .

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

2. Производство стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла – стального скрапа. Вместимость печи составляет 200…900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.

Мартеновская печь (рис.2.2.) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали.

Рис. Схема мартеновской печи

Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут.

Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500…1600 0 C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 0 C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 0 C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.

Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор.

Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8.

После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.

Температура факела пламени достигает 1800 0 C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей – до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт – 400…600 плавок.

Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:

· производительность печи – съ¨м стали с 1м 2 площади пода в сутки (т/м 2 в сутки), в среднем составляет 10 т/м 2 ; р

· расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.

С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

3. Производство стали в кислородных конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.

Первые опыты в 1933-1934 – Мозговой.

В промышленных масштабах – в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) – получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.

Кислородный конвертер – сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом.

Вместимость конвертера – 130…350 т жидкого чугуна . В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий предельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.3.

Рис. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (2.3.а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0 C (рис. 2.3.б).

После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 2.3.в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через не¨ подают кислород под давлением 0,9…1,4 МПа. Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 0 C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом.

Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера.

Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали.

Плавка в конвертерах вместимостью 130…300 т заканчивается через 25…30 минут .

4. Производство стали в электропечах

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений .

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые и индукционные электропечи .

5. Дуговая плавильная печь

Схема дуговой печи показана на рис.

Рис. Схема дуговой плавильной печи

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током . Имеет три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра. Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6. Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

Вместимость печей составляет 0,5…400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой.

6. Индукционные тигельные плавильные печи

Выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.

Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

Схема индукционной тигельной печи представлена на рис 3.2.

Рис. Схема индукционной тигельной печи

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

При пропускании тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съемный свод 2.

Тигель изготавливают из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска плавки печь наклоняют в сторону сливного желоба.

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

7. Разливка стали

Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы – чугунные формы для изготовления слитков.

Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.

Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5…7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.

Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 3.3.а), снизу (сифоном) (рис.3.3.б) и на машинах непрерывного литья (рис.3.4).

Рис. Разливка стали в изложницы

а – сверху; б – снизу (сифоном)

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

Основные сведения о производстве стали

Сталь – важнейший материал, используемый в машиностроении. В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Конвертерный способ. В настоящее время применяют кислородную плавку, основанную на продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым сверху в конвертер (от лат.converto – изменяю, превращаю). Конвертер представляет собой сосуд грушевидной или цилиндрической формы высотой до 11м и диаметром до 10м. Конвертер покрыт стальным кожухом, внутри выложен огнеупорной кладкой. В нижней части конвертера глухое дно, легко заменяемое. Конвертер устанавливается на стойки и может свободно поворачиваться вокруг горизонтальной оси цапф, что необходимо для загрузки, взятия пробы и выпуска готовой стали.

Процесс выплавки стали в конвертере заключается в следующем: в начале происходит загрузка металлического лома (иногда железной руды), затем заливают жидкий чугун, переводят конвертер в вертикальное положение и загружают известь для удаления фосфора, находящегося в чугуне и руде. Опускают водоохлаждаемую фурму (от нем.Form, букв. – форма) – устройство для подвода дутья в конвертер, через которую подаётся кислород. В результате окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора) выделяется тепло в количестве, достаточном для поддержания металла в жидком состоянии в течении всего процесса без поступления тепла из других источников. Время продувки зависит от вместимости конвертера, заданной марки стали и данных анализа. Температура в конвертере поднимается до 2000…2500ºС. Продолжительность плавки 5…60 минут.

Заключительным этапом получения стали является её раскисление, заключающееся в удалении вредных примесей оксида железа FeO. Раскисление производится добавкой в жидкую сталь раскислителей – марганца, кремния и алюминия:

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeО + Si = 2Fe + SiO₂;

В кислородном конвертере можно останавливать процесс на заданном содержании углерода и получать сталь самых различных марок. Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является необходимость сооружения сложных и дорогостоящих пылеочистительных установок, так как в процессе плавки образуется много пыли. Строительство кислородного конвертера требует значительных затрат. Не уступая по качеству мартеновскому способу получения стали, конвертерный способ значительно превосходит его по производительности. Конвертеры выплавляют 400 т/ч стали, а мартеновская печь – 80…100 т/ч.

С учетом указанных преимуществ, а также того, что при конвертерном способе коэффициент использования топлива, равный 70%, значительно больший, чем для других способов, и можно обойтись без миксеров (хранилищ чугуна), кислородно-конвертерная плавка будет в дальнейшем применяться всё более широко.

Мартеновский способ. Мартеновский способ (от имени французского металлурга П. Мартена) – один из старейших способов производства стали. Сталь в мартеновских печах выплавляется из передельного чугуна (твёрдого или жидкого), металлического лома, иногда вместо него применяют железную руду, вводят флюсы, главным образом, известняк. Топливом служат газы: доменный, коксовый, природный, а также мазут.

Мартеновский процесс делится на три этапа: плавление, кипение и раскисление.

Во время плавления окисляются кремний, марганец и фосфор за счёт кислорода оксида железа FeO. Образующиеся оксиды SiO₂, MnO₂ и P₂O₃, соединяясь с известняком, образуют шлак. Сера в виде FeS также соединяется с СаО и переходит в шлак. Для ускорения процесса расплавления и окисления примесей в печь подают через водоохлаждаемые фурмы кислород, благодаря чему сокращаются время плавки и расход топлива и руды.

Во время кипения окисляется углерод. При этом осуществляется химический контроль за количеством углерода в стали. Когда достигается необходимое содержание углерода, серы и фосфора, сталь раскисляют ферросплавами или алюминием.

Мартеновсий процесс длится 8…14 часов в зависимости от вместимости печи. В настоящее время работают печи производительностью от 40 до 900 тонн в плавку.

Плавка в дуговых и индукционных электрических печах. Такая плавка является важнейшим способом получения стали высокого качества для производства деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конвертерной. Электропечь быстро нагревается до заданной температуры - 2000º С. Легко регулируется тепловой процесс. В электропечи легче легировать сталь, можно более полно удалять серу и фосфор, получать более раскислённую сталь. Электропечи бывают дуговые и индукционные. Большее применение находят дуговые печи. Процесс плавки в них в зависимости от вместимости длится 2,5…8 часов.

Производство стали в индукционных печах осуществляется значительно реже, чем в дуговых. Их чаще всего применяют при переплавке отходов легированной стали. Высокая температура, возможность создания вакуума, отсутствие науглероживающего металла позволяют получать в них сталь с малым содержанием углерода, Вместимость этих печей небольшая.

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.

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

Общие сведения о производстве стали

Стальюназывается железоуглеродистый сплав, в котором содержится углерода до 2 % Как и чугун, сталь содержит также постоянные примеси (кремний, марганец, серу и фосфор), но в меньших количествах, что способствует улучшению механи­ческих и технологических свойств металла. Сталь хороша сва­ривается, куется, прокатывается, обрабатывается резанием и поэтому является основным материалом в промышленности

Сталь выплавляют из чугуна и лома черных металлов, из ко­торых удаляют некоторое количество углерода и других при­месей, предусмотренное ГОСТ для определенной марки стали. Удаляют примеси путем окисления их кислородом воздуха, вду­ваемого в жидкий расплавленный металл.

Впервые сталь получили из чугуна в конце XVIII в. Однако способ, получивший название пудлингования, б ,.л малопроиз­водителен, требовал больших затрат топлива и труда. Пудлин­говая печь выплавляла за сутки не более 1 т стали. В 1856 г. английский изобретатель Г. Бессемер предложил новый способ получения стали из чугуна. По его имени этот способ назвали бессемеровским. В 1878 г. английский металлург С. Томас предложил свой способ получения стали из чугуна, который также назвали по имени изобретателя — томасовским. Выплавка стали бессемеровским и томасовским способами про­изводится в специальных сосудах, называемых конвертерами, поэтому оба предложенных способа получили общее название конвертерного способа. Производительность конвертеров на­много выше производительности пудлинговых печей.

В 1864 г. французские металлурги братья П. и Э. Мартены предложили новый способ получения стали, который позволил переплавлять в сталь лом черных металлов и отходы производ­ства (бракованные слитки и детали, отходы кузнечных и прокатных цехов, металлическую стружку и т. п.), ранее не исполь­зуемые. В настоящее время более 80 % всей стали выплавля­ется мартеновским способом.

В 1899 г. был разработан электрический способ производ­ства стали в электродуговых печах. Этот способ основан на применении электрической дуги (дуги Петрова), открытой в 1802 г. русским ученым В. В. Петровым.

Таким образом, в настоящее время существуют три способа производства стали: конвертерный, мартеновский и электриче­ский.

Классификация стали.Сталь классифицируют по хи­мическому составу, назначению и качеству.

По химическому составу сталь делится на углероди­стую и легированную.

Углеродистая сталь — сплав железа с углеродом (до 2 %). Кроме железа и углерода, в состав углеродистой стали входят обычные примеси: кремний (до 0,37 %), марганец (до 0,8 %), сера (0,06 %) и фосфор (до 0,07%).

Легированными называются стали, в состав которых, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят ле­гирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.), по­вышающие физические, химические и механические свой­ства, стали. Сталь также будет легированной, если содер­жание в ней кремния 0,5 %, а марганца 1 %.

По назначению стали делятся на: конструкционные (общего назначения), идущие на изготовление деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций; инструментальные, предназначенные для изготовления инструментов; стали специального назначения (нержаве­ющие, жаростойкие, жаропрочные, с высокой магнитной проницаемостью и др.).

По качеству стали подразделяются на стали обыкно­венного качества, качественные, высококачественные (в конце марки таких сталей ставится буква А) и особовы-сококачественные (в конце марки ставится буква Ш). Качество стали зависит от способа ее производства и определяется однородностью химического состава и строения, а также другими свойствами. Основным пока­зателем для классификации сталей по качеству является наличие в них вредных примесей (серы, фосфора, кисло­рода, азота и др.). Чем меньше в стали вредных приме­сей, тем качество ее выше.

Различают низкоуглеродистые (до 0,25 % углерода), средне-углеродистые (от 0,25 до 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые стали (свыше 0,6 % углерода).

Кремний (до 0,5%) и марганец (до 0,7%) не оказывают существенного влияния на свойства стали. Сера вызывает крас­ноломкость, т. е. хрупкость стали при высоких температурах, а фосфор — хладноломкость, т. е. хрупкость стали при понижен­ных температурах. Кроме того, сера понижает пластичность и прочность стали, коррозионную стойкость и износостойкость.

Легированные стали — это сплавы железа с углеро­дом—(при содержании углерода до 2 %), в которые введены спе­циальные добавки (легирующие элементы) для придания опре­деленных свойств, например, хром, никель, титан, молибден, вольфрам, кобальт, ниобий, ванадий, алюминий, медь и другие элементы. Марганец (при содержании более 1 %) и кремний (при содержании более 0,8 %) также являются легирующими элементами.

Для легирующих элементов, вводимых в сталь, приняты следующие условные буквенные обозначения: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К—кобальт, Л — бериллий, М—молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т —титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц — цирконий, Ю — алюминий.

Легирующие элементы оказывают различное влияние на свойства стали.

Хром, один из основных легирующих элементов, повышает прочность, твердость, коррозионную стойкость стали, а при по­вышенном содержании делает сталь нержавеющей, жаропроч­ной и обеспечивает стойкость магнитных свойств.

Никель придает стали высокую прочность, пластичность, кор­розионную стойкость и ударную вязкость.

Вольфрам увеличивает твердость и красностойкость стали.

Молибден повышает прочность, упругость, красностойкость, окалиностойкость и коррозионную стойкость стали.

Кобальт увеличивает жаропрочность, магнитные свойства и ударную вязкость стали.

Ванадий повышает твердость и прочность стали, измельчает зерно.

Титан увеличивает прочность и плотность стали, измельчает зерно, улучшает коррозионную стойкость.

Марганец увеличивает прочность, твердость и износостой­кость стали.

Кремний повышает прочность, упругость, кислотостойкость, окалиностойкость и жаропрочность стали.

Ниобий и медь улучшают коррозионную стойкость стали)

Различают низколегированные стали (до 5 % легирующих элементов), среднелегированные (от 5 до 10%) и высоколеги­рованные (свыше 10%).

о назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционн ые стали применяют для изготовле­ния строительных конструкций, деталей, машин и механизмов, корпусов судов и т. п. [

Инструментальные стали предназначены для изго­товления режущего, мерительного, штампового и другого ин­струмента.

Специальные стали имеют особые свойства обраба­тываемости, жаростойкости, коррозионной стойкости и т. п. Большинство специальных сталей используется для изготов­ления конструкций, деталей машин и механизмов, имеющих__ специальное назначение.

По качеству стали разделяют на стали обыкновенного ка­чества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, опре­деляемых металлургическим процессом ее производства.

Основным показателем качества служат нормы содержания вредных примесей (серы и фосфора).Cтали обыкновенного качества содержат до 0,06 % серы и 0,07% фосфора, качественные — не более 0,04 % серы и 0,035 % фосфора, высококачественные — не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора, особовысококаченные — не более 0,015% серы и 0,025% фосфора.

По степени раскисления стали разделяют на кипящие, полуспокойные и спокойные. Углеродистые стали могут выплавляться кипящими, полуспокойными и спокойными, а ле­гированные — только спокойными.

По структуре стали в отожженном состоянии разделяют на шесть классов: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, аустенитные и ферритные.

По структуре после нормализации стали разделяют на че­тыре класса: перлитный, мартенситный, аустенитн ы й и ферритный.

Для постройки судов применяют сталь всех вышеперечислен­ных групп. Например, из конструкционной стали строят корпуса металлических судов, изготовляют дельные вещи, судовые уст­ройства, судовое механическое оборудование и т. д. Из инстру­ментальных сталей делают инструменты и приспособления, не­обходимые для постройки судна, из специальных сталей — судо­вую . арматуру, гребные винты, детали судовых двигателей, механизмы и приборы.

Судно эксплуатируется в тяжелых условиях, при которых на его корпус действуют знакопеременные силы сжатия, растя­жения, излома, кручения и др. Поэтому к корпусным судострои­тельным сталям, которые должны обеспечить прочность, надежность и долговечность судовых конструкций, предъявляются осо­бые требования. Согласно требованию Регистра СССР и зару­бежных классификационных обществ сталь для постройки судов должна обладать повышенной вязкостью, пластичностью и хо­рошей свариваемостью, иметь необходимую прочность и стой­кость против возникновения трещин.

В зависимости от химического состава и механических свойств Правила Регистра СССР делят корпусную сталь на две группы.

Обычная судостроительная сталь (нормальной прочно­сти)— это углеродистая сталь, у которой предел текучести со­ставляет не менее 240 МПа. По Правилам Регистра СССР (а также других ведущих классификационных обществ) она делится на четыре категории: А, В, D, Е. Химический состав и механические свойства обычной судостроительной стали оха­рактеризованы в табл. 14.1

2. Судостроительная сталь повышенной прочности — это низ­колегированная сталь, у которой предел текучести более 300 МПа. По Правилам Регистра СССР (и некоторых других классификационных обществ) она делится на категории А32, D32. Е32, А36, Е36, Е36, D40, Е40. Цифры в обозначении кате­гории стали соответствуют ее пределу текучести в килограмм- силах па квадратный миллиметр.

Химический состав и механические свойства этой стали пред­ставлены в табл. 15.

Основным нормативным документом для корпусной судо­строительной стали является ГОСТ 5521—76 «Сталь, сваривае­мая для судостроения». Он распространяется на свариваемую углеродистую и низколегированную листовую и профильную сталь, предназначенную для изготовления корпусов и других конструкций судов.

Особенности производства стали

Сталь – это прочный материал и основной конструкционный материал для машиностроения. Он представляет сплав железа с углеродом, содержание которого в структуре составляет 0,01–2,14%. В состав также входят в незначительных количествах кремний, марганец и сера. Этот материал обладает исключительными механическими свойствами: твердостью и ковкостью, благодаря им он считается основным конструкционным материалом в машиностроении. Трудно представить, что могло бы заменить материал. Но активное развитие производство стали и других металлов. Из стали изготавливаются самые разнообразные изделия – от канцелярских скрепок до станин многотонных прессов и обшивки корпусов морских судов.

Процесс производства

Производится сталь плавкой. Исходным сырьем служат чугун, лом самой стали или чугуна, окатыши, флюсы и ферросплавы.

Сам чугун по природе – недостаточно твердый и хрупкий материал, поэтому имеет ограниченное применение.

Однако, он незаменим в качестве сырья для получения стали. Суть плавки состоит, в случае применения передельного чугуна, в снижении процентного содержания углерода в нем до требуемого уровня.

Выводятся не предусмотренные в конечной рецептуре примеси. Традиционный состав шихты представляет 55% чугуна и 45% стального лома (скрапа). Существует также рудный процесс, когда к компонентам добавляется рудный материал или скрап-процесс для переработки отходов машиностроительного производства.

Чтобы в процессе плавки примеси и углерод легче выводился из состава компонентов, они переводятся в газы и шлак. В первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом железо окисляется, образуя закись железа FeO.

Одновременно окисляются C, Si, Mn и P, при этом происходит отдача кислорода оксидом железа химически активным примесям. К массе шихты добавляют флюс для лучшего растворения металла: известняк или известь, боксит. В качестве топлива используют каменноугольную пыль, жидкий мазут, природный или коксовый газ.

Особенности процесса

Процесс производства стали происходит последовательно в три этапа.

Первый этап – расплавление породы. На этапе его проведения формируется расплав в ванне и окисляется металл, отдавая одновременно кислород кремнию, фосфору и марганцу.

Одна и главных задач этого этапа – удаление фосфора. Для ее осуществления требуется сравнительно невысокая температура и присутствие в достаточном количестве FeO. При взаимодействии ингредиентов фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 + P2O5.

Присутствие в шлаке более стойкого основания СаО вызывает замещение FeO. В результате оно связывает фосфорный ангидрит в другое соединение (CaO)4 х P2O5 + 4 Fe, чего и требовалось добиться.

Чистый Fe высвободился в расплаве, а фосфор образовал шлак, который удаляется с зеркала металла и утилизируется за ненадобностью. Поскольку фосфорный ангидрид преобразует состав шлака, процесс должен идти непрерывно.

Поэтому FeO должен непрерывно пополняться за счет загрузки новых партий железной руды и окалины, наводящих в расплаве железистый шлак.

Особенности второго этапа

Технология производства стали на втором этапе называется кипением стали. Основное назначение заключается в процентном снижении содержания углерода за счет окисления. FeO + C = CO + Fe.

Реакция окисления происходит более интенсивно при кипении и сопровождается поглощением тепла. Поэтому необходимо создавать постоянный приток тепла в ванну, а также для выравнивания температуры в расплаве.

При такой реакции окисления интенсивно выделяется газ оксида углерода CO, что вызывает бурное кипение в жидком агрегатном состоянии, по этой причине процесс называют кипением. Чтобы излишки углерода интенсивнее преобразовывались в окись, производство качественной стали предусматривает вдувание чистого кислорода и добавление в расплавленную структуру окалины. Поэтому таким важным является качество сырья для производства стали. Все исходные материалы проходят щепетильную проверку.

Немаловажным на этом этапе является вывод серы, благодаря чему повышается качество конечной стали. Используемая в компонентах сера, присутствует не в прямом виде, а в форме сульфида железа FeS.

При высоких температурах компонент также взаимодействует с оксидом СаО, образуя сульфид кальция CaS, который растворяется в шлаке, не соединяясь с железом. Это позволяет беспрепятственно выводить сульфид за пределы ванны.

Конвертерное производство стали

Раскисление

Третий этап – раскисление металла. После добавления кислорода (на предыдущем этапе) требуется снизить его содержание в чистой стали. Использованием О2 удалось добиться окисления примесей, но его остаточное присутствие в конечном продукте снижает качественные характеристики металла. Требуется удалить или преобразовать окислы FeO, связав кислород с другими металлами.

Для этого существуют два метода раскисления:

При диффузионном методе в расплавленный состав вводят добавки: алюминий, ферромарганец и ферросилиций. Они восстанавливают оксид железа и переводит в шлак. В шлаке оксид распадается и высвобождает чистое железо, которое поступает в расплав. Второй высвободившийся элемент – кислород улетучивается в окружающую среду.

Осаждающий метод предусматривает введение добавок, имеющих большее сродство с кислородом, чем Fe. Происходит замещение этими веществами железа в окисле. Они, как менее плотные, всплывают и выводятся вместе со шлаком.

Процесс раскисления продолжается при затвердевании слитка, в кристаллической структуре которого оксид железа и углерод взаимодействуют. В результате чего вместе с пузырьками азота, водорода он выводится.

Чем больше при раскислении выводится включений различных металлов, тем выше ковкость получаемой стали. Для проверки раскаленный кусок металла подвергают ковке, на нем не должны образовываться трещины. Такая проверка пробы говорит о правильном проведении процесса раскисления.

В зависимости от степени раскисления специалисты могут получить:

• спокойную сталь полного раскисления;
• кипящую раскисленную не полностью сталь, когда процесс выведения пузырьков угарного газа СО продолжается в ковше и изложнице.

Для получения легированных сталей с добавками некоторых металлов в расплавленный металл добавляются ферросплавы или чистые металлы. Если они не окисляются (Ni, Co, Mo), то такие добавки могут вводиться на любом этапе плавки. Более чувствительные к окислению металлы Si, Mn, Cr, Ti добавляют в ковш или, что обычно и происходит, в форму для отливки металла.

Существуют основные способы получения стали в сталеплавлении.

Этот способ применяется для производства сталей высокого качества, применяемых в особо ответственных деталях машинах и точных механизмах.

В свое время он заменил трудоемкие и малопроизводительные тигельную и пулдинговую плавки, применявшиеся ранее.

Емкость загрузки одной отражательной печи, используемой при этом методе, достигает 500 тонн. Особенностью мартеновского способа является возможность переплавки не только передельного чугуна, но и металлургических отходов, металлического лома.

Температура нагрева жидкой стали достигает 2 тыс. градусов. Этот результат достигается специальной конструкцией мартеновской печи:

• применением дополнительного тепла регенераторов, получаемого сжиганием коксовального или доменного газа в струе горячего воздуха;
• отражения от свода закачиваемого газа в результате сгорание топлива в нем происходит над ванной с металлом, что способствует быстрому нагреву содержимого;
• применением реверсирования нагревающего потока.

Мартеновская печь состоит из следующих элементов:

• рабочего пространства с огнеупорной футеровкой стенок и завалочными окнами;
• подины (основания) из магнезитового кирпича;
• свода печи;
• головки печи;
• шлаковика для выведения пыли;
• регенератора с перекидными клапанами.

Процесс плавки занимает от 4 до 12 часов. С целью ускорения процесса плавки объем закачиваемого кислорода превышает потребности, что повышает производительность плавки на 20–30%.

Конвертерный метод

В конверторах выплавляют сорта стали для производства автомобильного листа, инструментальной стали сварных конструкций и других стальных заготовок. По качеству они уступают мартеновскими применяются для изготовления менее ответственных изделий.

В них содержится больше примесей, чем при мартеновском изготовлении. Благодаря высокому объему загрузки одной печи до 900 тонн, способ считается самым производительным, поэтому получил широкое распространение.

Производство стали и другого вида металла этим методом основано на продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом под давлением 0,3–0,35 МПа, при этом металл разогревается до 1600 градусов. Плавка скоротечна и длится до 20 минут. За это время происходит окисление углерода, кремния и марганца, содержащихся в сырье, которые извлекаются из ванны с расплавом шлака.

Конвертер представляет сосуд ретортообразной (грушевидной) формы, состоящий из стальных листов с футеровкой изнутри. Для заливки чугуна и выпуска готовой стали используется одно отверстие, в него также загружается чугун и скрап.

Рождение стали

Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.

Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.

В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.

Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.

Окисляются C, Cr и Mn, снижая процентное содержание в структуре металла. Окисление сопровождается выделением тепла. Благодаря присутствию шлаков СаО и FeO до разогрева происходит выведение фосфора в самом начале продувки.

Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

Производство стали сегодня осуществляется в основном этим способом. На долю кислородно-конверторного производства совсем недавно приходилось до 60% мирового производства стали.

Однако, этот процент снижается в связи с появлением электродуговых печей (ЭДП). Продувка печей осуществляется чистым кислородом (99,5%) под высоким давлением.

Продукт кислородно-конвертерной печи представляет сталь с заданными химическими свойствами. Она поступает в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где материал застывает в форме блюма или плиты. Для получения определенных жестких параметров металл подвергается вторичной переработке.

Электросталеплавильный способ

Производство стали электрической плавкой обладает рядом неоспоримых преимуществ. Этот способ считается основным при выплавке высококачественных легированных сталей.

Достигаемая при этом высокая температура позволяет выплавлять стали, содержащие тугоплавкие металлы:

Высокое качество достигается практическим отсутствием в сталях фосфора, серы и кислорода. Этот способ также применяется для производства широкой номенклатуры строительных сталей.

Выделение тепла не связано с потреблением окислителя, а происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Она выделяется при прохождении электрической дуги или наведения вихревых токов. В зависимости от принципа работы печи подразделяются на электродуговые и индукционные.

Электродуговая печь способна принять одновременно от 3,5 до 270 тонн сырья:

• жидкой стали из конвертеров;
• скрапа;
• железной руды.

Она имеет несколько электродов из графитосодержащего материала, к которым подводится электрическое напряжение. Время плавки составляет до 1,5 часа, при этом температура дуги достигает 6 тыс. градусов.

Особенности электроиндукционных печей

В электроиндукционных печах сталь выплавляют в небольших по объему (4,5–60 тонн) емкостях, именуемых огнеупорными тиглями. Вокруг тигля располагается индуктор, состоящий из большого количества витков провода.

При прохождении переменного тока внутри индуцируются вихревые токи большой силы, вызывающее плавление содержимого тигля. Электромагнитные силы одновременно перемешивают расплав стали. Продолжительность плавки в таких печах не превышает 45 мин.

Электросталеплавильный способ производит мало дыма, пыли и меньше излучает световой энергии. Однако, высокая стоимость электрооборудования при малой вместительности ограничивает применение этого способа.

Помимо рассмотренных вариантов, существуют не только основные способы производства стали. В современном сталеплавлении используется плавка в вакуумных индукционных печах и обогащение процентного содержания железа в окатышах плазменно-дуговым переплавом.

Виды получаемых сталей по химическому составу

Производимая этими методами сталь делится, в зависимости от химического состава, на две большие группы:

Процентное содержание элементов в углеродистой стали:

Наименование	Fe	С	Si	Mn	S	P
Содержание в процентах	до 99,0	0,05–2,0	0,15–0,35	0,3–0,8	до 0,06	до 0,07

В углеродистых сталях прочность недостаточно сочетается с пластичностью. Недостаток устраняется введением добавок других металлов, такая сталь называется легированной.

Согласно ГОСТ 5200 выделяют три группы легированных сталей с допустимым содержанием примесей:

• низколегированная не более 2,5%;
• среднелегированная в диапазоне 2,5–10%;
• высоколегированная свыше 10%.

С каждым годом способы плавки усовершенствуются благодаря вводу в строй нового высокотехнологичного оборудования. Это позволяет получать в сталелитейной промышленности высококачественные стали с оптимальным содержанием добавок и металлов.

Читайте также:

  
• Производство дроби стальной литой
  
• Как делают дамасскую сталь
  
• Маркировка конструкционных сталей обыкновенного качества
  
• Стальные двери в котельниках
  
• Температурные пределы применимости сталей