Техника и технология производства стали

     В результате протекания этих реакций  выделяется тепло, обеспечивающее не только нагрев металла, но и возможность  перерабатывать до 30 % металлолома. Продукты реакции окисления железа, марганца и кремния образуют первичный шлак, который может интенсивно растворять футеровку. Для предотвращения разрушения футеровки в конвертер добавляют известь. Шлак с высоким содержанием СаО слабо взаимодействует с футеровкой. Кроме того, такой шлак обеспечивает рафинирование стали от фосфора и частично от серы.

     В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной продувкой. Собственно конвертер (рис.1) представляет собой металлический сварной кожух, футерованный внутри. В качестве огнеупорного материала используется обычно смолодоломитовый кирпич. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях. На нее воздействуют высокие температуры и ее колебания, она испытывает механические удары кусков твердых загружаемых материалов. Особо тяжелые условия работы футеровки - в зоне шлакового пояса. Стойкость футеровки достигает 1000 и более плавок.

     Можно выделить три основных периода в  конвертерном производстве стали: загрузку шихтовых материалов, продувку кислородом и выпуск плавки. Загрузку конвертера обычно начинают с завалки металлолома из специальных лотков с помощью завалочной машины. Для этого конвертер загружают в наклонном положении. Затем в конвертер заливается чугун. После этого конвертер возвращают в вертикальное положение и начинают добавку шлакообразующих материалов (главным образом, извести). Одновременно в конвертер опускают кислородную фурму и начинают продувку техническим кислородом. По ходу продувки продолжают добавку шлакообразующих.

                                Рисунок 1.

     Высокая интенсивность продувки кислородом обеспечивает циркуляцию металла и  его перемешивание со шлаком. Длительность продувки составляет 12-16 мин. Окончание продувки определяется по количеству введенного кислорода с учетом количества и состава шихтовых материалов. 

     Температура расплава в первые минуты продувки практически не изменяется, так как все тепло, выделяющееся в результате окислительных реакций, расходуется на плавление металлолома. После окончания его плавления наблюдается непрерывное повышение температуры расплава. После окончания продувки кислородную фурму поднимают и в металл сверху (параллельно кислородной фурме) вводят зонд для автоматического отбора пробы на экспресс-анализ и измерения температуры. Если состав металла и его температура соответствуют требованиям, приступают к выпуску плавки, если нет - производят корректировку состава. В том случае, если анализ показал повышенное (по сравнению с маркой стали) содержание углерода или недостаточную температуру, то производят додувку плавки. Если же содержание углерода ниже требуемого, в ковш вместе с выпускаемым металлом добавляют графит или молотый кокс в необходимых количествах.

     Выпуск  плавки производят в специальный сталеразливочный ковш через летку. В ходе выпуска стремятся полностью исключить попадания в ковш вместе с металлом конвертерного шлака. А для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше туда добавляют специальную теплоизолирующую смесь или синтетический шлак. Кроме того, при необходимости в ковш по ходу выпуска стали добавляют раскислители и легирующие. Конвертерный шлак сливают в шлаковую чашу.

     Применение  комбинированной продувки за счет более интенсивного перемешивания металла и шлака способствует улучшению рафинирования стали и увеличению выхода годного за счет устранения выбросов и снижения окисления железа в шлак.

     Кислородно-конвертерный процесс является самым производительным из всех процессов производства стали. Современный конвертерный цех с двумя конвертерами (один - в работе, другой - в ремонте) обеспечивает производство до 5 млн. т стали в год. 

     Качество  стали в первую очередь определяется содержанием вредных примесей, таких  как фосфор и сера, поступающих вместе с чугуном; водород и азот, попадающих в металл с ломом и из атмосферы. Благоприятные условия рафинирования стали в конвертере и отсутствие в процессе производства контакта с водородом и азотом позволяют производить сталь самого высокого качества. 
 

     Производство  стали в мартеновских печах

     Сущность  мартеновского процесса состоит  в переработке чугуна и металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавления твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

     Для обеспечения максимального использования подаваемого в печь топлива (мазу тили предварительно подогретые газы) необходимо, чтобы процесс горения топлива заканчивался полностью в рабочем пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах углекислогогаза и воды.

     Таким образом, газовая атмосфера печи имеет окислительный характер, т. е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому металл в мартеновской печи в течение всей плавки подвергается прямому или косвенному воздействию окислительной атмосферы.

     Для интенсификации горения топлива  в рабочем пространстве часть  воздуха идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере).

      Рисунок 2.

     В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 и др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки. Шихтовые материалы основного мартеновского процесса состоят, как и при других сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит).

     Чугун может применятся в жидком виде или  в чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и  экономических условий.

     По  характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

     При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

     При скрап-процессе основную массу металлической  массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства. 
 

     Производство  стали в электропечах

     Электросталеплавильное  производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.

     Выплавка  стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.

     В отличие от конвертерного и мартеновского  процессов выделение тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.

     Выплавка  стали в кислых электродуговых печах

     Электродуговые  печи (рис.3) с кислой футеровкой обычно используются при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их составляет от 0,5 до 6,0-10т. Кислая футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов.

      Рисунок 3.

     Основным  недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.

     Плавление в кислой печи длится примерно так  же, как в основной печи (50-70 мин). В окислительный период удалятся меньшее количество углерода (0,1 - 0,2 %) и из-за повышенного содержания FeO в шлаке металл кипит без присадок железной руды. Содержание SiO2 в шлаке к концу окислительного периода повышается до 55-65 %. Когда металл нагрет, начинается восстановление кремния по реакции:

                    (SiO2) + 2[C] = [Si] + 2COгаз              

     К концу окислительного процесса содержание Si в металле увеличивается до 0,2-0,4 %.

     Плавка  с рафинированием в ковше печным шлаком.

     Применяется на печах емкостью 100-200 т. После окончания окислительного периода и раскисления металла наводят новый шлак с высоким содержанием СаО. В течение 40-60 мин шлак раскисляют молотым коксом и ферросилицием. Перед выпуском в шлак дают CaF2. Высокое (10-20 %) содержание CaF2 обеспечивает высокую рафинирующую способность шлака. При выпуске из печи вначале выпускают в ковш жидкий шлак и затем мощной струей металл. Перемешивание металла со шлаком обеспечивает высокую степень рафинирования от примесей (от серы) и неметаллических включений. Одной из форм рафинирования стали в ковше можно считать технологию синтетических шлаков на основе СаО - Al2O3. В этом случае требуются дополнительные затраты для плавления шлака.

     Плавка  стали в индукционной печи.

     В индукционных печах для выплавки металла используется тепло, которое выделяется в металле за счет возбуждения в нем электрического тока переменным магнитным полем. Источником магнитного поля в индукционной печи служит индуктор. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи, подвергается воздействию переменного магнитного поля, возникающего от индуктора, нагревается в следствие теплового воздействия вихревых токов.

     По  сравнению с дуговыми электропечами  индукционные печи имеют ряд преимуществ: отсутствие электродов и электрических дуг позволяет получать стали и сплавы с низким содержанием углерода и газов; плавка характеризуется низким угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного регулирования температуры металла. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Разливка стали

     Разливка  стали является заключительной стадией сталеплавильного производства. От ее правильного проведения зависит конечное качество стали. На разливку металл поступает в сталеразливочном ковше после внепечной обработки. Сталь разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

     Разливка  стали в изложницы. Различают два способа разливки в изложницы: сверху и сифоном. 

     Рисунок 4. Схема разливки стали по изложницам:                 

A –  разливка сверху: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – изложница; 3 – поддон;  

Б –  разливка сифоном: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая трубка; 3 –

прибыльная  надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонные трубки.

     Каждый  из видов разливки стали в изложницы  имеет свои преимущества и недостатки. Основными преимуществами разливки стали сверху являются простота подготовки поддонов и малые потери металла (нет литниковых систем). Однако в этом случае за счет разбрызгивания получается плохая поверхность металла, а также низка производительность разливки (каждый слиток разливается последовательно). Поэтому разливку сверху применяют при получении относительно крупных слитков. Разливка сифоном обеспечивает хорошую поверхность слитков, ее производительность значительно выше, чем разливка сверху. Однако при этом усложняется процесс подготовки изложниц к разливке и уменьшается выход годного, так как часть металла затвердевает в литниковой системе.