ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ
Стали железоуглеродістиє сплави, що містять практично до 1,5% вуглецю. Крім вуглецю, сталь завжди містить в невеликих кількостях постійні домішки: марганець (до 0,8%), кремній (до 0,4%), фосфор (до 0,07%), сірку (до 0,06%), що пов'язано з особливостями технології її виплавки. У техніці широко застосовують також леговані сталі, до складу яких для поліпшення якості додатково вводять хром, нікель та інші елементи. Існує понад 1500 марок вуглецевих і легованих сталей-конструкційних, інструментальних, нержавіючих і т. д.Розроблено кілька способів отримання сталі з чавуну.
Першими способами отримання сталі з чавуну були крічний (12 - 13 століття), пудлінгового (кінець 18 століття), бесемерівський (
Приблизно з початку 20 - го століття масу стали виплавляли мартенівським способом (відкриття
У 50-х роках 20 століття з'явився киснево - конвертерний процес.
Одним з прогресивних способів отримання складних і високолегованих сталей є електрометалургійний: плавка в електричних дугових і індукційних печах.
Сталь особливо високої якості виплавляють у вакуумних електричних печах, а також шляхом електрошлакового, плазмового переплаву, електронно-променевої плавки.
Киснево - конвертерний процес
Сутність киснево-конвертерного процесу полягає в тому, що налитий у плавильний агрегат (конвертор) розплавлений чавун продувають струменем кисню повітря. Вуглець, кремній та інші домішки окислюються і тим самим чавун переробляється в сталь.
Цей процес здійснюється в конверторі, схема якого представлена на рис.
Малюнок. Схема кисневого конвертора:
1 - глуходонний конвертор; 2 - фурма для вдування кисню; 3 - льотка для зливу стали
Його грушоподібний корпус (кожух) зварений з листової сталі, всередині він футерований основним вогнетривким матеріалом (у кожуха магнезит або хромомагнезіт, внутрішній-робочий шар - доломітосмоляная маса або цеглина).
Конвертор встановлюють на опорних станинах за допомогою цапф, і він може повертатися навколо осі, що необхідно для заливки чавуну та інших технологічних операцій, рис. .
Малюнок. Технологічні операції киснево-конверторної плавки:
1 - завантаження сталевого скрапу; 2 - заливка розплавленого чавуну, 3 - продування киснем; 4 - завантаження вапна і залізної руди з початком продування і по ходу плавки; 5 - випуск металу; 6 - випуск шлаку
Місткість сучасних конвертерів досягає 250 - 400 т.
Перед старими способами одержання сталі бесемерівський спосіб мав дві незаперечні переваги - дуже високу продуктивність, відсутність потреби в паливі. Недоліком бесемерівського процесу є обмежена гама чавунів, які можуть перероблятися цим способом, тому що при динасовий футеровці не вдається видалити з металу такі домішки, як сірку і фосфор, в тому випадку, якщо вони містяться в чавуні.
Кисень вдувають в конвертер вертикальної трубчастої водоохлаждаемой фурмой, що опускається в горловину конвертера, але не доходить до рівня металу на 1200-2000 мм. Таким чином, кисень не продувається через шар металу (як повітря в старих конвертерних процесах), а подається на поверхню залитого в конвертер металу. Це дає можливість переробляти чавуни з різним вмістом домішок, а також як вводити в конвертер рідкий метал, але і додавати до нього для охолодження скрап або залізну руду (кількість скрапу на деяких заводах доводять до 30% меси металу).
Початком чергового циклу в кисневому конвертері служить завалка в нього брухту та інших металевих відходів; на деяких заводах в конвертор уводять залізну руду. Після введення цих добавок в конвертер починають заливати рідкий чавун, підвозяться з міксера в чавуновозних ковшах. Після того як метал займе 1 / 5 обсягу конвертера, завантажують вапно, необхідну для зв'язування фосфору; в конвертор опускають водоохолоджувальну фурму і подають у неї технічний кисень. У конвертері починається інтенсивний процес окислення металу киснем, який перш за все, зустрічаючись з частинками заліза, окисляє їх по реакції
Крім заліза, окислюються і домішки, але окислення їх може відбуватися не тільки киснем, але і перейшла в шлак закисом заліза по реакціях
У рівняннях реакцій хімічні елементи, що знаходяться в металі, укладені в квадратні дужки, а що знаходяться в шлаку, - у круглі.
Всі ці реакції протікають в конвертері з кисневим дуттям одночасно, причому остання реакція сприяє перемішуванню металу.
Після 15-16-хвилинної продувки піднімають фурму, нахиляють конвертер, беруть пробу металу на аналіз і викачують більшу частину шлаку; це займає 7-8 хв, за цей час експрес-аналізом визначають основні параметри сталі, потім конвертер знову ставлять у вертикальне положення, опускають фурму і вдруге продувають киснем кілька хвилин в залежності від даних аналізу і заданої марки сталі.
У цей час тривають реакції окислення і інтенсивно йдуть реакції шлакоутворення
і багато інших фізико-хімічні процеси; в кінці вторинної продувки в конвертер вводять раскислители (феромарганець і ферросилицием). Марганець і кремній реагують з розчиненим киснем; їхні окисли утворюють з окислами заліза рідку жужільну фазу, що допомагає вивести продукти розкислення з металу.
Потім фурму знову піднімають, конвертер нахиляють, беруть контрольну пробу металу, термопарою занурення вимірюють його температуру, після чого сталь випускають через бічну льотку в розливний ківш, після зливу металу скачують залишився шлак і закладають випускний отвір. Весь технологічний цикл плавки займає 50-60 хв, а тривалість продувки киснем - 18-30 хв.
Недоліком киснево-конвертерного способу отримання сталі є велике пилоутворення, обумовлене рясним окисленням і випаровуванням заліза; чад металу становить 6-9%, що значно більше, ніж при інших способах одержання сталі. Це вимагає обов'язкового споруди при конвертерах складних і дорогих пилоочисне установок.
Виробництво сталі в мартенівських печах
Мартенівський процес був розроблений в
Мартенівська піч (рис.) по пристрою і принципу роботи є полум'яної регенеративної піччю.
Малюнок. . Схема мартенівської печі:
1, 2 - газові і повітряні регенератори, 3, 4-газові і повітряні канали в головці печі; 5 - робочий простір печі; 6-Подина печі; 7 - склепіння печі; 8-завалочні вікна
У її плавильному просторі спалюється газоподібне паливо або мазут. Висока температура для одержання сталі в розплавленому стані забезпечується регенерацією тепла пічних газів.
Робоче плавильний простір печі обмежена знизу ванної, утвореної подини і укосами; зверху - склепінням; з боків - передній і задній стінками; з торців - голівками. У передній стінці розташовані вікна, через які в піч завантажують вихідну шихту і додаткові матеріали (по ходу плавки), а також беруть проби металу і шлаку, видаляють шлак при дефосфорации. Вікна зачинені заслінками з оглядовими отворами. Готову плавку випускають через отвір, розташоване в задній стінці на нижньому рівні подини. Отвір щільно забивають малоспекающіміся вогнетривкими матеріалами.
Для більш повного використання тепла відхідних газів в системі газовідводів встановлені регенератори. Регенератори виконані у вигляді камер, заповнених насадкою з огеупорного цегли.
Принцип регенерації тепла полягає в тому, що насадка однієї пари регенераторів деякий час нагрівається до 1250 - 1300 о С відходять з печі газами. Потім за допомогою клапанів напрямок руху регенераторів змінюється автоматично. Через один з нагрітих регенераторів в робочий простір печі подається повітря, через інший - газ. Проходячи через насадку, вони нагріваються до 1100 - 1200 о С. У цей час інша пара регенераторів нагрівається, акумулюючи тепло відхідних газів. Після охолодження насадки регенераторів до встановленої температури знову відбувається автоматичне перемикання клапанів.
Основними матеріалами для виплавки сталі є переробний чавун марок М1, М2, М3 та сталевий скрап.
Сталевий скрап - відходи при прокатці (до 10-12% від маси зливка), при куванні і штампуванні (грат, обсечкі та ін), стружка - при обробці на металорізальних верстатах. Як скрапу широко використовують також прийшли в непридатність різні сталеві вироби, деталі і т.п. Стружку і дрібний скрап до завантаження в мартенівську піч пресують, перетворюючи в пакети.
При виплавці сталі використовують вапняк (флюс), залізну руду та інші добавки. Для розкислення і легування застосовують феромарганець і інші сплави.
Отримання сталі в електричних печах
Цей процес є більш досконалим, тому що легко регулюється теплової процес, можна створювати окислювальну, відновну, нейтральну атмосферу вакуум, легше здійснюється легування сталі. У дугових печах виплавляють найбільш якісні конструкційні, високолеговані, нержавіючі, жароміцні та інші стали.
Для виробництва стали найбільш часто застосовують дугові трифазні електричні печі з вертикальними графітовими електродами і непровідним подом. Струм, що нагріває ванну в цих печах, проходить по ланцюгу електрод-дуга-шлак-метал-шлак-дуга-електрод. Місткість таких печей досягає 400 т.
Піч складається з металевого кожуха циліндричної форми і сферичного дна (рис.). Подібно мартенівським, дугові печі можуть бути кислими і основними. В основних печах подину викладають з магнезитової цегли, зверху якого наносять набивний шар з магнезиту плі доломіту (150-200 мм). У кислих печах застосовують динасовий цеглу та набивання з кварциту на рідкому склі.
Рис. . Схема дугової електропечі
1 - випускний жолоб, 2 - дверцята; 3 - звід; 4 - три електроди; 5 - опорні ролики, 6 - метал; 7 - електродвигун для нахилу печі
У циліндричній частині печі є робоче вікно і випускне отвір з жолобом. Електричні печі мають механізми для нахилу печі на 40-45 ° у бік випускного отвору для зливу металу і на 10-15 ° у бік робочого вікна для скачування шлаку. Звід печі зазвичай сферичний, і через нього опускають в піч три циліндричних електрода. Поруч з піччю поміщені механізми для підйому електродів і понижуючий трансформатор, що живить піч електроенергією. Потужність трансформатора залежить від розмірів і ємності печі. Наприклад, 10-тонні печі мають трансформатор потужністю 3,5 MB-А, а 250-тонні печі-трансформатор мощі остю 65 MB-A. Трансформатор печі має на низькій стороні кілька ступенів напруги (3-12), перемикаючи які, можна регулювати енергетичне навантаження електродів.
Невеликі печі завантажують через вікно (за допомогою мульд і завалочної машини), а печі ємністю понад 5 т, як правило, через склепіння (з допомогою завантажувальної бадді або сітки).
На 1 т виплавленої вуглецевої сталі витрачається 500-700 кВт-год, на 1 т легованої сталі-до 1000 кВт-год.
Виплавка сталі в індукційних печах
Виплавку сталі в індукційних печах застосовують у чорній металургії значно рідше, ніж в дугових, і використовують зазвичай печі без залізного сердечника, що складаються з індуктора у вигляді котушки (з мідної трубки, охолоджувальної водою), яка служить первинної обмоткою, навколишнього вогнетривкий тигель, куди завантажують плавящийся метал, рис. .
Малюнок. . Схема індукційної печі для виплавки стали:
1 - тигель з вогнетривких матеріалів; 2 - водоохолоджуваний індуктор; 3 - жолоб для випуску плавки; 4 - сталерозливний ківш, 5 - метал; 6 - вихрові струми
При пропущенні струму через індуктор у металі, що перебуває в тиглі, індукуються потужні вихрові струми, що забезпечує нагрівання і плавлення металу. Шихтові матеріали завантажують зверху. Для випуску плавки печі нахиляють у бік зливного жолоба. Так як в індукційних печах теплота виникає в металі, шлак у них нагрівається тільки через метал. Місткість сучасних індукційних печей досягає в окремих випадках 15 т.
Плавку проводять методом переплавки, використовуючи відходи відповідних легованих сталей або чистий по сірці і фосфору вуглецевий скрап та феросплави. В кінці періоду плавлення на метал завантажують флюс, необхідний для утворення шлакового покриву. У кислих печах як флюс використовують бій скла та інші матеріали, багаті SiO 2. В основних печах застосовують вапно і плавиковий шпат. Шлаковий покрив захищає метал від окислення і насичення газами атмосфери, зменшує втрати тепла.
Великі печі можуть працювати на змінному струмі з промислової частотою 50 періодів; для більш дрібних необхідні генератори, що працюють на частоті 500-2500 періодів в секунду. Виплавка сталі з чавуну в індукційних печах поширення не отримала, так як окислення і рафінування олії з допомогою шлаку в них майже неможливо. Ці печі з успіхом використовують для переплавлення чистих легованих сталей, так як висока температура, можливість роботи у вакуумі і відсутність науглероживания металу електродами дають можливість отримати в них стали з малим вмістом вуглецю і різні складні сплави, до яких пред'являються підвищені вимоги.
Отримання сталі в дугових електричних печах має незаперечні переваги, найважливіші з яких - дуже висока якість одержуваної сталі, можливість виплавляти будь-які марки стали, включаючи високолеговані, тугоплавкі і жароміцні. Електричні печі забезпечують мінімальний чад заліза в порівнянні з іншими сталеплавильними агрегатами і, що особливо важливо, мінімальне окислення дорогих легуючих присадок завдяки нейтральній атмосфері в печі. Слід зазначити зручність регулювання температурного режиму і легкість обслуговування цих печей.
Недоліком виплавки сталі в дугових електричних печах є потреба у великій кількості електроенергії і висока вартість переділу, так як на 1 т сталі за твердої завалке витрачають 600-950 кВт-год електроенергії. Тому дугові електричні печі поки застосовують головним чином для отримання високолегованих та інших дорогих сортів сталі, призначених для відповідальних виробів.
Контрольні питання
1. Який вплив робить вуглець на властивості стали?
2. Розкажіть про вплив сірки та фосфору на властивості сталі.
3. Розкажіть про вплив вуглецю і випадкових домішок на властивості вуглецевої сталі.
4. За якими ознаками класифікують стали?