Способы производства стали

Категория:
Технология металлов


Способы производства стали

Основным материалом для производства железа и стали является в настоящее время передельный доменный чугун. Около 90% всего получаемого в доменных печах чугуна перерабатывается на железо и сталь.

В то время, когда развитие железоделательного производства было еще в зачаточном состоянии (XII—XIII в.), железо изготовляли в примитивных сыродутных горнах путем непосредственного восстановления железной руды древесным углем. Железо получалось в тестообразном состоянии и содержало много шлаков.

Начало переработки чугуна на железо и сталь относится к XIV в., когда для этой цели применяли так называемые кричные горны.

Производимое в таких горнах железо получало название кричного, или сварочного, железа.

Во второй половине XVII в. возник способ переработки чугуна на сварочное железо в отражательных пламенных печах. Производительность печей такого типа была так. же невысокой и составляла 500—600 кг за 12—15 час. работы.

Переработка чугуна на сталь в конвертерах. Производство сварочного железа сохранилось до середины XIX в.

Жидкая сталь получалась в это время путем переплавки сварочного железа с добавкой углерода в тиглях (тигельная сталь).

В течение 1854—1856 гг. Бессемером был разработан новый способ получения жидкой стали из чугуна.

Сущность этого способа заключается в том, что через расплавленный доменный чугун продувается воздух и кислород воздуха окисляет примеси чугуна непосредственно и через закись железа.

Реакция окисления железа и примесей (Mn, Si) проходит с выделением тепла (экзотермически), и температура чугуна по мере выгорания примесей не понижается, а, наоборот, повышается до 1600°. Эта температура превышает температуру плавления стали, и к моменту окончания процесса окисления сталь остается жидкой.

Производство литой стали по этому способу (бессемерование) осуществляется в специальных аппаратах (конвертерах), представляющих собой грушевидный сосуд из листового железа, выложенный внутри кислым огнеупорным материалом—динасом.

В отъемном днише конвертера имеются отверстия для продувки воздуха (фурменные отверстия). Воздух подается под давлением до 2,0 атм. Конвертер с помощью червячной передачи может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Положение его в различных стадиях процесса показано на рис. 1.

Емкость современных конвертеров равна 25—35 т жидкого чугуна.

Переработке в бессемеровском конвертере с кислой футеровкой, или, как говорят, кислому конвертированию, подвергаются передельные доменные чугуны (бессемеровские), содержащие небольшое количество кремния (0,9—1,6%) и марганца (0,6—1,2%) и практически не содержащие фосфора и серы (марки Б1).

В процессе продувки чугуна в конвертере различают три периода:
— первый период, или «период искр», длится около 5 мин. и характеризуется интенсивным окислением железа и примесей. Все реакции протекают с выделением тепла (экзотермически), и температура чугуна в конвертере к концу первого периода повышается приблизительно до 1550°;
— второй период, «период пламени», характеризуется интенсивным окислением углерода. Образующаяся при этом окись углерода заставляет клокотать металл внутри конвертера и, выходя из его горловины, сгорает, образуя длинный факел пламени. Продолжительность этого периода 4—5 мин.;
—третий период, «период дыма», характеризуется тем, что пламя от горения окиси углерода постепенно исчезает и из горловины конвертера начинает выделяться бурый дым. Это является признаком того, что окисление примесей чугуна закончилось и начинается интенсивное окисление железа. Период дыма продолжается 1,5—2,0 мин., конвертер поворачивают в горизонтальное положение, и дутье прекращается.

Рис. 1. Бессемеровский конвертер (общий вид и положение при заливке, продупкз и выпуске (схема))

Таким образом, весь процесс окисления примесей длится 10—12 мин.

Полученная в конвертере в конце третьего периода жидкая сталь содержит большое количество кислорода в виде закиси железа и не может быть применена для изготовления полуфабрикатов или отливок, так как присутствие в ней кислорода придает стали хрупкость и красноломкость. Кроме того, состав полученной стали не всегда соответствует составу, требующемуся по ГОСТ.

Таким образом, вслед за третьим периодом конвертирования наступает период раскисления жидкой стали, целью которого является извлечение растворенного в ней кислорода. Длительность этого периода 2—4 мин.

Раскисление жидкой стали достигается добавкой в нее элементов, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо, и образующих нерастворимые в железе окислы. Эти окислы или переходят в шлак или удаляются в виде газа (СО). В качестве раекислителей применяют доменные ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец и зеркальный чугун.

Сталь после раскисления сливается из конвертера в ковш и разливается по изложницам.

Таким образом, весь процесс производства литой стали путем конвертирования продолжается 14—16 мин.

Наиболее отличительной особенностью получения литой стали в конвертере является то, что тепло, необходимое для поддержания стали в расплавленном состоянии, получается не за счет сжигания какого-либо вида топлива, а вследствие того, что реакции окисления железа и примесей идут с выделением тепла (экзотермически).

Кислому конвертированию подвергаются чугуны, в которых содержание серы и фосфора не превышает 0,05—0,06% каждого элемента. Это объясняется тем, что при кислой футеровке конвертера эти примеси не шлакуются, так как окислы фосфора в жидком шлаке вновь восстанавливаются и переходят в сталь. Наличие же в стали серы и фосфора в пределах свыше 0,02— 0.04% для многих сортов стали признается недопустимым, так как эти примеси сообщают стали хладноломкость и красноломкость, т. е. хрупкость при пониженных и повышенных температурах.

Переработка путем конвертирования на сталь доменных чугунов, содержащих значительное количество фосфора (до 2,20%), была осуществлена в 1877 г. С. Д. Томасом.

Особенностью применяемого в этом случае конвертера является основная, доломитовая, футеровка, а отличием самого процесса конвертирования является загрузка в конвертер .вместе с жидким чугуном и определенного количества извести. Наличие извести приводит к образованию основных шлаков и к связыванию окислившегося фосфора в прочное соединение (СаО)4’Р205, уходящее в шлак.

Конструкция основного конвертера незначительно отличается от конструкции кислого конвертера.

Процесс получения стали в основном конвертере (томасовский процесс) также характеризуется наличием трех периодов.

Полученная сталь раскисляется введением ферросилиция и ферромарганца. Период раскисления длится 2—4 мин. Готовая сталь сливается в ковши и разливается в изложницы.

Шлаки основного процесса конвертирования содержат до 20% фосфорного ангидрида (Р2О5) и применяются в качестве минеральных удобрений.

Сталь, полученная путем кислого конвертирования (бессемеровская), находит применение как сталь „обыкновенного качества для изготовления рельсов, балок, труб, болтов и других изделий различного профиля.

Бессемеровская сталь обладает повышенной твердостью, сопротивлением износу, хорошо сваривается и обрабатывается.

Томасовская сталь содержит больше закиси железа, чем бессемеровская. Из нее изготовляют кровельное железо, проволоку и профиль.

В настоящее время производство стали методом конвертирования не превышает 10—12% от общего количества производимой стали.

На некоторых машиностроительных заводах жидкую сталь для изготовления стальных фасонных отливок получают в кислых конвертерах малого объема— 1,5—3,0 т (малое бессемерование). Особенностью этого конвертера является то, что воздух подводится к нему не через днище, а через боковую стенку; это способствует лучшему сгоранию окиси углерода и повышению температуры стали. В настоящее время конвертерная сталь высокого качества получается,при продувке чугуна чистым кислородом сверху.

На рис. 2 показана конвертерная печь с основной футеровкой для получения стали томасовским способом продувкой кислородом сверху.

Производство стали в мартеновских печах. Как указывалось ранее, основным недостатком стали, получаемой путем кислого или основного конвертирования, является повышенное содержание в ней кислорода и связанное с этим понижение механических свойств. Таким образом, для изготовления многих ответственных изделий (пружины, инструмент, детали, работающие на удар, и др.) эта сталь оказалась непригодной. в 1864 г. было положено начало производства литой стали на поду пламенной (мартеновской) печи.

В настоящее время свыше 80% всей стали получают этим способом.

Производство стали в мартеновских печах является также окислительным процессом, однако в этом случае окисление происходит не непосредственно воздухом, проходящим через всю толщу расплавленного металла, как это имеет место в процессе конвертирования, а через шлак, изолирующий расплавленный металл от непосредственного взаимодействия с кислородом воздуха. Это обеспечивает возможность лучшего регулирования хода процесса плавки, уменьшает угар металла и

способствует повышению качества стали. Пламенная мартеновская печь является печью периодического действия, нагреваемой при помощи сжигания газа или мазута. Газ, а также воздух, необходимый для его сжигания, предварительно подогреваются в специальных приспособлениях — регенераторах — до температуры 1100°. Поэтому мартеновская печь называется регенеративной. Смешиваясь у входа в плавильное пространство печи, газы образуют большой факел пламени, способствующий быстрому нагреву самой печи и находящихся в ней шихтовых материалов.

Отходящие печные газы проходят через вторую пару регенераторов и нагревают их до температуры 1100—1200°. Изменяя периодически направления факела горения в печи, можно обеспечить в ней длительное время температуру 1600—1700°, вполне достаточную для поддержания стали в расплавленном состоянии. Регенераторы представляют собой кирпичную решетчатую насадку из огнеупорного материала. Они располагаются ниже уровня пода печи, обычно по два с каждой стороны. Переключение клапанов, регулирующих направление факела горения, происходит автоматически через 15—20 мин.

Рис. 2. Конвертерная печь на кислородном дутье сверху с основной футеровкой

На рис. 3, а показана схема движения газов в мартеновской печи, на рис. 3, б — продольный и поперечный разрезы мартеновской печи, а на рис. 3, в показана схема установки кислородного дутья для получения стали скоростным способом,

В зависимости от футеровки различают мартеновские печи кислые, когда футеровка выполнена из динаса, и основные, когда огнеупорный материал представляет -собой доломит. Подина печи в первом случае наваривается из молотого кварца, а во втором — из порошка магнезита.

Наибольшее распространение в СССР имеют печи с основной подиной.

В зависимости от конструкции различают печи стационарные (неподвижные) и качающиеся. Качающиеся печи могут поворачиваться на определенный угол вокруг горизонтальной оси, что облегчает выпуск из них металла и шлака.

В зависимости от состава шихты различают следующие разновидности процесса плавки стали на поду регенеративной мартеновской печи:
— скрап-процесс, когда шихтой является чушковый чугун, и стальной лом (скрап);
— чугунно-рудный процесс, когда шихтой является жидкий доменный передельный чугун с добавлением железной руды;
— скрап-рудный процесс, когда в состав шихты входит и жидкий чугун и скрап.

Основное применение имеют скрап-процесс и скрап-рудный процесс. Чугунно-рудный и скрап-рудный процессы проводят в основных печах, обеспечивающих удаление из стали фосфора и серы. Печи с кислой футеровкой могут работать на шихте, свободной от серы и фосфора.

Технология процесса плавки в мартеновской печи. Процесс плавки состоит из следующих основных операций.

Загрузка, или завалка, шихты в печь. При загрузке скрапа последний подвергается сортировке} мелкий скрап — стружка, высечка и т. п. — спрессовывается в пакеты (пакетируется) и загружается с помощью специальной машины через загрузочное окно в рабочее пространство печи. Таким же образом производится загрузка известняка и руды.

Жидкий чугун заливается в печь через рабочие окна из разливочного ковша.

Расплавление шихты. Длительность этого процесса зависит от тепловой мощности печи и заканчивается образованием в печи двух жидких слоев — расплавленного металла и шлака.

Рис. 3. Мартеновская печь:
а — схема печи и движения а ней газов; б — общий вид печи; в — схема-разрез печи на кислородном дутье

Кипение жидкой ванны — наиболее ответственная часть процесса; выделяющаяся при этом окись углерода вызывает бурление (кипение) жидкой стали, что в значительной степени ускоряет окисление примесей (Si, Мп).

Раскисление стали и доводка. В сталь добавляются ферросилиций, ферромарганец и алюминий для удаления из нее растворенного кислорода и получения стали определенного химического состава. Готовая сталь выпускается в разливной ковш и разливается в изложницы.

Окисление примесей при плавке стали в мартеновских печах происходит через шлак в такой последовательности: кислород воздуха, взаимодействуя с закисью железа в шлаке, окисляет ее. Образовавшийся окисел Ре20з при взаимодействии с железом образует закись железа по реакции Fe203 + Fe = 3FeO.

В зависимости от условий раскисления в основной мартеновской печи выплавляют сталь кипящую и спокойную.

При варке кипящей стали в качестве раскислителя применяют только ферромарганец. Он значительно повышает температуру ванны. Это приводит к усилению процесса кипения стали (выделения газов), который заканчивается уже в изложнице, поэтому в слитках кипящей стали образуется большое количество газовых пузырей, частично завариваемых в процессе прокатки. В слитке стали усадочная раковина рассредоточивается (рис. 44, а). Кипящая, преимущественно низкоуглеродистая, сталь применяется для штамповки. Содержание кремния в этой стали обычно меньше 0,03%.

Спокойная сталь раскисляется ферросилицием и ферромарганцем. Процесс кипения заканчивается в печи, и кристаллизация стали в изложнице протекает спокойно; количество газовых пузырей значительно меньше; в слитке образуется сосредоточенная усадочная раковина.

В мартеновских печах выплавляют качественные углеродистые и легированные стали различного назначения.

Наиболее важными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются производительность печи, измеряемая б тоннах с одного квадратного метра пода печи в сутки, и расход топлива.

Борьба за сокращение времени плавки, проведение скоростных плавок за счет лучшей организации рабочего процесса, уменьшение простоев, ускорение завалки и повышение тепловой мощности печи —все это способствует быстрому росту производительности плавки стали.

При наиболее успешном проведении скоростных плавок съем стали доходит до 18—19 т/м2 в сутки.

Расход топлива в зависимости от тоннажа печи, рода процесса и тепловой мощности составляет 12—20% от веса шихты.

В последние годы найдена возможность значительного сокращения продолжительности плавки стали путем применения кислорода. Завод «Запорожсталь», применяя в течение двух лет кислород, увеличил на существующих мартеновских печах выплавку стали на 20%. Использование кислорода в сталеварении на всех заводах позволит увеличить выплавку стали в стране на несколько миллионов тонн в год.

В 1960 г. выплавка стали с применением дутья, обогащенного кислородом, должна составлять примерно 40% от общего производства стали.

Производство стали в электрических печах. В настоящее время выплавку стали производят в дуговых и индукционных электропечах, причем преимущественное распространение имеют дуговые электропечи.

В электропечах можно получать более высокие температуры по сравнению с другими печами (до 2000°). В процессе плавки отсутствует непосредственное соприкосновение жидкого металла с печными газами.

Эти особенности электроплавки дают возможность:
а) получать более высококачественный металл, содержаний меньше вредных примесей — кислорода, серы и фосфора, а также неметаллических включений;
б) выплавлять любые сорта стали с содержанием заданного оличества различных элементов, таких, как хром, никель, вадии, и даже таких тугоплавких, как вольфрам и молибден.

Рис. 4. Продольное сечение слитков:
а — кипящей стали; б — спокойной

Электросталь обладает наилучшими свойствами по сравнению со сталью, получаемой другими способами (мартеновской, бессемеровской, томасовской). Все возрастающая потребность в высококачественном металле для инструментов и деталей вызвала быстрое развитие производства электростали.

В Директивах XX съезда КПСС предусматривается организация производства электростали дуплекс-процессом в конвертерах и электропечах, обеспечивающих высокое качество стали и уменьшение расхода электроэнергии.

Дуговые электропечи применяют в настоящее время также для выплавки ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама, феррованадия, ферромолибдена и др.), т. е. сплавов, богатых хромом, вольфрамом, ванадием, молибденом и т. д.

Ферросплавы добавляют в шихту при выплавке различных сортов стали сложного состава.

Дуговая электропечь представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным материалом. Электроды угольные или графитовые проходят через свод печи. С помощью специального приспособления печь может поворачиваться на определенный угол. Это облегчает удаление из нее шлака и разливку стали. Емкость современных дуговых электропечей доходит до 80—100 т.

Рабочее напряжение печи 95—220 в. Расход электроэнергии при работе на твердой шихте составляет 600—1000 квт-ч на 1 г готовой стали.

В зависимости от состава футеровки электропечи могут быть кислыми — с динасовой футеровкой и основными — с доломитовой футеровкой. Основные печи наиболее распространены.

В электропечах экономически целесообразно производить выплавку стали из стального лома с добавкой небольшого количества чугуна.

Обычно (кроме случая переплавки отходов легированной стали) при плавке в основной электропечи различают те же пять периодов, что и в мартеновской печи: завалка шихты, расплавление, кипение металла, раскисление и доводка.

Во время периода кипения окисление углерода и других примесей происходит в основном за счет кислорода железной руды, добавляемой в печь. Значительное количество серы и фосфора удаляется из печи вместе со шлаком.

Раскисление и доводка (или рафинирование) производится под шлаком, который чаще всего состоит из извести, плавикового шпата и кокса.

Рис. 5. Схематический продольный разрез дуговой электропечи

Введение в сталь легирующих элементов для получения нужного химического состава производится во время обработки ее шлаком. Когда сталь приобретает заданный состав, ее выпускают из печи в ковш.

Индукционная электрическая печь для выплавки стали представляет собой тигель из огнеупорного материала, помещенный внутри индуктора — медной трубчатой спирали, по которой проходит ток высокой частоты. При загрузке тигля шихтой в металле индуктируется ток большой мощности, приводящий к быстрому расплавлению стали.

Схема индукционной печи приведена на рис. 6.

В СССР плавка стали в индукционных печах начала производиться с 1931 г. и сейчас имеет широкое распространение. Емкость современных промышленных индукционных печей достигает 9 т. Плавка стали в индукционных печах имеет следующие преимущества: быстрота плавки и незначительная степень окисления шихты, перемешивание металла вихревыми токами и выравнивание его состава, незначительный угар и возможность получения высоких температур.

Разливка стали. Разливка стали в изложницы (формы) является заключительной операцией производства стали. Качества и свойства стали в значительной степени зависят от условий ее разливки.

Жидкая сталь, выплавленная тем или иным способом, сливается из печи в разливочный ковш, который представляет собой железный кожух, выложенный внутри огнеупорным материалом (шамотом). В днище ковша имеется отверстие, закрывае-. мое специальным приспособлением — стопором. Стопор представляет собой железную штангу, футерованную огнеупорными кольцами, заканчивающимися огнеупорной пробкой, которая и закрывает отверстие в днище ковша.

Стопор может перемещаться в вертикальной плоскости и тем самым открывать или закрывать отверстие в ковше.

Рис. 6. Индукционная электрическая печь-схема

Для разливки стали применяют чугунные формы различного профиля, в зависимости от назначения слитка, называемые изложницами. Для прокатки и поковки чаще всего применяют квадратные изложницы, расширяющиеся кверху, или конические.

Рис. 7. Схема устройства сталеразли-вочного ковша

Существуют два способа разливки стали: сверху — отдельно в каждую изложницу и снизу— сифонным способом. Разливка сверху имеет наибольшее распространение. При обоих способах разливки в верхней части изложницы устанавливают керамическую насадку, способствующую более медленному затвердеванию стали и уменьшению усадочной раковины в слитке. Схема расположения изложниц при заливке приведена на рис. 8.

Рис. 8. Схема расположения изложниц при разливке стали:
а — сифоном; б — сверху

Оба метода разливки стали — сверху и сифонный — почти равноценны, и выбор того или другого метода определяется местными возможностями и конкретными требованиями к металлу. Однако стали, которые должны быть особенно чистыми от неметаллических включений (шарикоподшипниковая, быстрорежущая, магнитная и др.), разливаются сверху.

Директивы XX съезда КПСС предусматривают всемерное расширение выплавки и разливки стали в вакууме, а также внедрение в широком масштабе высокопроизводительных способов непрерывной разливки стали, позволяющей улучшить качество и увеличить выход годной продукции.

Способ непрерывной разливки стали характеризуется тем, что жидкая сталь заливается в охлаждаемую^ водой металлическую форму (кристаллизатор), дойная часть шторой может опускаться с определенной скоростью.

Согласовывая скорость разливки стали со скоростью опускания донной части формы, можно получить плотный слиток стали большой длины, без усадочной раковины.

Сталь, залитая, в изложницу, охлаждается неравномерно, поэтому кристаллизация ее происходит также неравномерно, по зонам. Первая зона мелких кристаллов прилегает непосредственно к внутренней стенке изложницы там, где жидкий металл охлаждается быстрее всего. Вторая зона состоит из столбчатых кристаллов, ориентированных к центру слитка. Третья зона в центральной части слитка, в которой охлаждение происходит более медленно, состоит из кристаллов без определенной ориентации. Химический состав отдельных кристаллов является неоднородным, распределение примесей в слитке неравномерно. Это явление носит название ликвации. Вследствие уменьшения объема стали при затвердевании в слитке возникает усадочная пористость и рыхлость, а в его верхней части образуется усадочная раковина. Выделение из жидкой стали газов способствует образованию в слитке газовых пузырей и раковин. Для уменьшения потерь металла на отходы необходимо добиваться уменьшения усадочной раковины.

Классификация стали

В зависимости от химического состава сталь разделяется на углеродистую, представляющую в основном сплав железа с углеродом, и легированную.

Рис. 9. Макроструктура стального слитка

Легированная сталь, кроме железа и углерода, содержит оДин или несколько химических элементов (хром, марганец, никель, молибден, ванадий, вольфрам и др.). которые специально вводят в состав стали в таком количестве, что их присутствие существенно изменяет свойства стали. Такие элементы называются легирующими.

В зависимости от назначения различают сталь конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами.

Конструкционная сталь содержит до 0,7% углерода и применяется для изготовления валов, осей, шатунов, шестерен и других деталей в машинстроении.

Инструментальная сталь содержит углерод в пределах от 0,7 до 1,7% и применяется для изготовления различных инструментов — зубил, сверл, резцов, фрез, метчиков, плашек и т. п.

К сталям с особыми свойствами относятся: нержавеющая, жаропрочная, немагнитная и др. В большинстве случаев эти стали содержат большое количество легирующих элементов.

В Советском Союзе большинство технических сплавов, в том числе сталь и чугун, стандартизовано.

Государственные общесоюзные стандарты (ГОСТ) устанавливают наименование марок, химический состав, свойства и назначение стали и других технических сплавов и являются обязательными для всех отраслей народного хозяйства.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум