17.4.2. Производство стали

Процесс выплавки стали заключается в уменьшении количества углерода и примесей (Мn, Si, S, Р) в чугуне путем окисления их кислородом воздуха или кислоро­дом, содержащимся в железной руде

2Fe + О₂ = 2FeO, С + FeO = СО + Fe, Мn + FeO = MnO + Fe,

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe, 2P + 5FeO = P₂O₆ + 5Fe.

Наличие извести в шлаке способствует удалению серы

FeS + CaO → CaS + FeO.

В конце процесса окисления остается боль­шое количество закиси железа, которая повышает хрупкость. Для доведения содержания углерода до заданно­го количества, вслед за окислительным процессом немед­ленно проводят процесс раскисления. Для этого в рас­плавленную сталь вводят элементы, энергично соединя­ющиеся с кислородом закиси железа. В качестве раскислителей применяют ферросплавы, а также алюминий

Мn + FeO → MnO + Fe, Si + 2FeO → SiO₂ + 2Fe,

2A1 + 3FeO → Аl₂О₃ + 3Fe.

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от полноты проведения процесса раскисления жидкого металла различают:

− спокойную сталь, получающуюся при полном раскислении и застывании металла без выделения газа; такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение;

− кипящую сталь, полу­чающуюся при неполном раскислении. В этом случае в процессе застывания закись железа продолжает реаги­ровать с углеродом металла, выделяя оксид углерода в виде пузырьков. Этот процесс продолжается до выделе­ния большей части газа; часть его еще остается в метал­ле и при охлаждении образует газовые пузыри.

Образуются зоны ликвации, которые характеризуются неравномерным распределением вредных примесей, что приводит к снижению качества стали. Достоинства кипящей стали: лучшая свариваемость, улучшение процесса обработки и более низкая стоимость по сравнению со спокойной сталью.

− полуспокойная сталь, которая занимает промежуточное место между спокойной и кипящей сталями.

Мартеновский способ получения стали.

При выплавке стали в мартеновской печи различают:

− чугунно-рудный процесс. Сырьем являются жид­кий чугун и железная руда (до 25 %) для окисления примесей;

− скрап-процесс. Сырьем может быть жидкий или твердый чугун, скрап (металлолом) и известняк.

Особенность производства стали в мартеновских печах заключается в возможности использования жидкого чу­гуна, металлического лома и железной руды. В настоя­щее время вместимость мартеновских печей доходит до 900 т. Показатели работы мартеновских печей: расход топлива на 1 т выплавляемой стали (100…200 кг условного топлива на 1 т стали) и съем стали в тоннах (9..22 т с 1 м² пода печи в сутки).

Для интенсификации мартеновского процесса в на­стоящее время используют кислород, что позволяет по­лучать более высокие температуры, уменьшить количе­ство продуктов горения, а также ускорять плавление шихты с общим увеличением производительности печей на 25…30 %. Значительный эффект по выходу стали обеспечивает также автоматизация процессов регулиро­вания плавки стали.

Конверторный способ получения стали. В основу конверторного способа производства стали положена продувка воздухом жидкого чугуна с малым содержанием серы и фосфора. Вместимость конвертора до 300 т, внутри он футерован огнеупорным кислым материалом. Жидкий чугун заливается через горловину на 20…25 % его высоты, когда конвертор находится в горизонталь­ном положении. Сжатый воздух под давлением 0,30…0,35 МПа поступает через специальные отверстия, равномер­но распределенные по днищу конвертора. Раскислители вводят в конвертор через горловину после окончания про­дувки.

Особенности конверторного способа: быстрота про­цесса; применение чугунов с минимальным содержани­ем фосфора (0,085 %) и серы (0,065 %), так как при продувке воздухом количество этих примесей не умень­шается; возможность применения только жидкого рас­плавленного чугуна. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается в результате химических реакций окисления углерода и находящихся в чугуне примесей.

Кислородно-конверторный способ получения стали – наиболее перспективный. Он основан на возможно­сти широкого применения кислорода с продувкой в кон­верторе сверху через специальные фурмы и повышения доли скрапа, подаваемого в печь, а также снижения со­держания азота в сталях. Использование кислорода сов­местно с водяным паром и углекислотой позволяет дове­сти качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартеновских и электропечах. В тех случаях, когда в чугунах содержится значительное ко­личество фосфора и в него приходится вводить известь, конвертор должен иметь основную футеровку, которая не могла бы реагировать с известью при высоких тем­пературах. При этом способе образуется много шлака (до 25 % массы готовой стали).

Электрический способ получения стали. Особенности получения ста­ли в электропечах: отсутствие реакции горения топли­ва, облегчающее получение в печи восстановительной атмосферы, что способствует значительному сокращению угара стали и уменьшению расхода легирующих доба­вок; в плавильном пространстве можно достигнуть бо­лее высокой температуры, позволяющей получать спе­циальные легированные стали; может быть точно отрегу­лирован химический состав стали; в основных электро­печах достаточно полно удаляются вредные примеси фосфора и серы.

Существуют два вида электрических печей:

− дуговые печи;

− индукционные печи.

Наиболее широко применяют электродуговые печи. Вместимость дуговых печей до 270 т. В последнее время получают распрост­ранение индукционные печи, работающие на принципе трансформатора: в загруженном металле, являющемся вторичной цепью, наводится переменный ток (токи Фу­ко), в результате металл нагревается и расплавляется. Преимущества индукционных печей: отсутствие элект­родов, простота управления нагревом и возможность проведения процесса в вакууме для получения высококачественных сталей. На 1 т стали в электрических печах расходуются электроэнергии 800…900 кВт∙ч. Продолжительность выплавки стали в дуговой печи зависит от ее мощности и конструкций, выплавляемой марки стали, характера исходного сырья и составляет 6…8 ч. Приме­нение электрических печей пока ограничено достаточно высокой стоимостью электроэнергии.

Дуплекс-процесс производства стали дает возмож­ность выгодно совмещать выплавку стали в двух пла­вильных агрегатах: мартеновская печь – электрическая печь; конвертор – электрическая печь. Заливая сталь, например, из мартеновской печи в электрическую, не нужно тратить электроэнергию на ее разогрев и вместе с тем можно получить высококачественную сталь.

Электрошлаковый переплав − весьма перспективный вид нового производства стали, обеспечивающий сниже­ние содержания серы в стали на 30…50 %, а содержа­ние неметаллических включения в 2…3 раза. Этим спо­собом получают высококачественные легированные ста­ли. Для этого слиток обыкновенной стали превращают в электрод. Вследствие сопротивления проходящему че­рез него току выделяется большое количество теплоты, отчего электрод плавится. Каждая капля расплавленно­го металла проходит через слой особого жидкого шла­ка и очищается от вредных примесей и газов.

Разновидностями электрошлакового переплава являются плазменно-дуговой переплав, ис­точником тепла здесь служит плазменная дуга с тем­пературой до 10 000 °С, и электронно­лучевой переплав, где плавление происходит под действи­ем потока электронов, излучаемых высоковольтной кобальтовой пушкой, с созданием в плавильном простран­стве глубокого вакуума. Достоинства всех этих спосо­бов: возможность получения стали и сплавов очень вы­сокой чистоты, а также бездефектной стали, примене­ние которой резко сокращает расход металла, облегчает массу конструкций, увеличивает их надежность и долго­вечность.

Прогрессивный способ получения стали – ее прямое восстановление из руд, минуя доменный процесс. Таким способом сначала во вращающихся шахтных печах по­лучают губчатое железо, которое дробят, отделяют от пустой породы и используют при производстве стали.

Из печей сталь выпускается в специальный ковш, вы­ложенный внутри огнеупорным материалом. В ковше сталь транспортируют к литейным формам или излож­ницам, в которых получают слитки для прокатки или изготовления крупных поковок. Разливку производят сверху в каждую изложницу отдельно или сразу в несколько (2…20 штук изложниц) одновременно через сообщающиеся сосуды (сифонный метод).

Сифонный метод разливки применяется для слитков малого и среднего размеров и небольшой мас­сы. Разливкой сверху получают слитки большого размера и значительной массы. При сифонной разливке не образуется брызг, которые могут появляться при разливке стали сверху на внутренней поверхности изложниц. Недостатки сифонной разливки: загряз­нение стали неметаллическими включениями, появле­ние более глубокой усадочной раковины в верхней части слитка.

Непре­рывный способ разливки стали. Он наиболее прогрес­сивен, так как устраняет усадочные раковины, снижает отходы, кроме того, значительно повышает производи­тельность труда и позволяет получать плотные мелко­зернистые отливки. При непрерывной разливке струя расплавленного металла поступает в кристалли­затор, охлаждаемый водой. После затвердевания слиток на специальном поддоне вытягивается вниз, где разре­зается на требуемые размеры.