Способы получения стали

Исходными материалами для производства стали служат: передельный чугун, металлолом (скрап), отходы металлургического производства. В промышленно развитых странах Запада использование металлолома носит более приоритетный характер, чем чугуна, так как это приносит меньше экологических убытков, дает более дешевую продукцию и возможность получения сразу легированных сталей.

Задача плавки состоит в удалении углерода и примесей  фосфора, серы, кремния и др. Процесс состоит из трех этапов:

1. В расплавленной шихте под воздействием вдуваемого кислорода или кислорода добавляемой руды окисляются и всплывают в виде шлака примеси.

2. Углерод окисляется кислородом и удаляется с поверхности - сталь как бы кипит.

3. Так как при продувании часть кислорода соединилась с железом, производится ее раскисление путем ввода ферромарганца, ферросилиция и ферроалюминия.

Основными способами получения стали являются мартеновский, кислородно-конвертерный и плавка стали в электропечах. На Ново-Оскольском комбинате применена схема прямого восстановления железа из руд, при которой сталь производится из руды, минуя стадию получения чугуна.

Мартеновский способ получения стали

Мартеновская печь (рис. 5.5) имеет плавильное пространство 4, ограничен­ное снизу подом 7 (на кото­ром находится ванна вы­плавляемого металла), свер­ху  сводом 3.

Рис. 5.5. Мартеновская печь:

1, 5  Головки; 2  каналы; 3  свод; 4  плавильное пространство;

6  Регенераторы; 7  под; 8  окно; 9  регенераторы

По сторо­нам плавильного простран­ства находятся головки 1 и 5 с каналами 2 для подвода природного газа и воздуха. Завалка шихты (жидкий чугун, лом, руда, флюс) производится через окна 8 в передней стенке печи. Природный газ и воз­дух проходят через регенераторы 6 нагреваются и смешиваются в плавильном пространстве, газ сгорает, плавит шихту, а продукты горения через каналы 2 головки 1 поступают в регенераторы 9 и нагревают их, после чего уходят в трубу. После охлаждения регенераторы 6 меняются ролями с регенераторами 9. Пока одна пара регенераторов отдает тепло газу и воздуху, вторая пара нагревается продуктами сгорания. Направление газа, воздуха и продуктов сгорания периодически меняется при помощи перекидных клапанов. Перекидка клапанов производится автоматически. Продукты сгорания (дым) поступают в дымовую трубу.

Рис. 5.6. Схема получения стали в кислородном конверторе (на примере 500-тонного конвертора): 1  летка для слива готовой стали; 2  водоохлаждаемая фурма; 3  горловина; 4  цилиндрическая часть; 5  ось; 6  днище

Мартены могут работать как с жидким чугуном, так и с металлоломом, од­нако значительно уступают конвертерам по производительности (около 80т/ч), капитальным затратам и трудоемкости. Оптимальны мартеновские печи емкостью 500-600 тонн. Средний съем стали с 1 м2 площади пода мартенов составляет около 10т/м2 в сутки, расход условного топлива 80-120 кг на 1 т стали. Продолжительность одного цикла при мартеновском способе получения стали  до 12 часов. В качестве топлива в мартеновских печах применяется также угольная пыль и жидкое топливо  мазут или каменноугольные смолы. Конструкция печей, работающих на этом топливе, несколько отличается от описанной ранее. Кислородно-конвертерный способ получения стали Кислородный конвертер (рис. 5.6.)  грушевидный сосуд, выложенный огнеупорным кирпичом. Он состоит из конической гор­ловины 3 с леткой 1 для слива готовой стали, цилиндрической части 4 и сферического днища 6 и может наклоняться, поворачи­ваясь вокруг оси 5. Вместимость конвертера от 50 до 500 тонн.

После загрузки металлолома и заливки жидкого чугуна (70-85 % от об­щей массы загрузки) конвер­тер поворачивается в верти­кальное положение, и по­верхность чугуна продувает­ся кислородом, подводимым через водоохлаждаемую фур­му 2. Температура завалки за счет выгорания примесей повышается, что способству­ет ускорению процесса.

Пос­ле получения пробы удовлет­ворительного состава произ­водится выпуск стали с од­новременным ее раскисле­нием; затем сливают шлак. Раскисление стали, производится для удаления из расплава кислорода, при­сутствующего в нем в виде оксидов железа. Для раскисления стали в ее расплав загружают ферромарганец, ферросилиций или алюминий.

Производительность конвер­тера емкостью 300 т дости­гает 500 т/ч  это самый вы­сокопроизводительный метод выплавки стали. Однако невозможность работы кон­вертера на металлоломе без жидкого чугуна  недоста­ток этого метода.

По сравнению с мартеновским конвертерный способ про­изводства стали отличается высокой производительностью (про­цесс длится 50-60 минут, в то время как мартеновский до 12 часов), лучшими экологическими свойствами, так как не ис­пользуется топливо, и требует меньше капвложений. Недостаток – необходимо строительство кислородного производства.

Плавка стали в электропечах

Плавка стали может осуществляться также в печах, нагреваемых электрическим током. Печи подразделяются на электродуговые (рис. 5.7), где плавка происходит за счет электрической дуги, возникающей между шихтой и графитовыми электродами, и индукционные (рис. 5.8), где плавка осуществляется нагревом шихты за счет индукции вихревых токов.

Преимущество: быстрая нагреваемость, контролируемость процесса, возможность создания вакуума или установленной определенной газовой среды. Получают сталь высокого качества и заданного состава, так как исключаются примеси. В настоящее время этот способ широко применяют для выплавки высококачественных углеродистых и легированных сталей, а также ферросплавов.

Электродуговые сталеплавильные с поворотным сводом печи (рис. 5.7) ДСП-50, ..., ДСП-400 (цифры указывают на номиналь­ную емкость в тоннах) плавят металл за счет теплоты трех элек­трических дуг 2, горящих между графитовыми электродами 1 и расплавленным металлом 3. Длина дуг поддерживается в задан­ных пределах системой автоматического регулирования. Свод при поднятых электродах, поворачиваясь относительно вертикальной оси, открывает печь сверху для загрузки шихты.

Для выпуска металла по желобу 7 и удаления шлака ванна печи может пово­рачиваться на роликах приводом. Рабочее окно с крышкой 8 слу­жит для удаления шлака, наблюдения за ходом плавки, проведе­ния необходимых операций в ходе плавки (взятие проб, введе­ние легирующих присадок и др.) и заправки стен и порогов.

Расход электроэнергии для ДСП-50 составляет 440 кВт•ч/т, продолжительность плавки составляет 2,8-5,7 часов.

Рис. 5.7. Схема электродуговой печи ДПС50: