Виробництво сталі

                                     

                                          Зміст.  
1. Введення.

 
2. Виробництво сталі.

  
3. Виробництво сталі в конвертерах.

  
4. Виробництво сталі в мартенівських печах.

 
5. Виробництво сталі в електропечах.

 
6. Методи розливання сталі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Введення.  
Метали відносяться до числа найбільш поширених матеріалів, які людина використовує для забезпечення своїх життєвих потреб. У наші дні важко знайти таку галузь виробництва, науково-технічної діяльності людини або просто його побуту, де метали не грали б чільної ролі як конструкційний матеріал. Метали поділяють на кілька груп: чорні, кольорові і благородні. До групи чорних металів належать залізо та його сплави, марганець і хром. До кольоровим відносяться майже всі інші метали періодичної системи Д. І. Менделєєва. Залізо та його сплави є основою сучасної технології і техніки. У ряді конструкційних металів залізо стоїть на першому місці і не поступиться його ще довгий час, не дивлячись на те, що кольорові метали, полімерні і кераміческіематеріали знаходять все більше застосування. Залізо та його сплави становлять понад 90% всіх металів, що застосовуються в сучасному виробництві. Самим найважливішим із сплавів заліза є його сплав з вуглецем. Вуглець додає міцність сплавів заліза. Ці сплави утворюють велику групу чавунів і сталей. Стали називати сплави железас вуглецем, вміст якого не перевищує 2,14%. Сталь - найважливіший конструкційний матеріал для машинобудування, транспорту і т. д. Сталеплавильне виробництво - це отримання сталі з чавуну і сталевого брухту в сталеплавильних агрегатах металургійних заводів. Сталеплавильне виробництво є другим ланкою в загальному виробничому циклі чорної металургії. У сучасній металургії основними способами виплавки сталі є киснево-конвертерний, мартенівський і електросталеплавильний процеси. Співвідношення між цими видами сталеплавильного виробництва змінюється. Сталеплавильний процес є окислювальним процесом, тому що сталь виходить в результаті окислення і видалення більшої частини домішки чавуну - вуглецю, кремнію, марганцю і фосфору. Відмінною особливістю сталеплавильних процесів є наявність окисної атмосфери. Окислення домішок чавуну та інших шихтових матеріалів здійснюється киснем, що містяться в газах, оксидах заліза та марганцю. Після окислення домішок, з металевого сплаву видаляють розчинений у ньому кисень, вводять легуючі елементиі отримують сталь заданого хімічного складу.  

                                         Виробництво сталі . 
Шлаки сталеплавильних процесів. Роль шлаків в процесі виробництва сталі виключно велика. Шлаковий режим, який визначається кількістю і складами шлаку, дуже впливає на якість готової сталі, стійкість футеровки і продуктивність сталеплавильного агрегату. Шлак утворюється в результаті окислення складових частини шихти, з оксидів футеровки печі, флюсів і руди. За властивостями шлакоформуючі компоненти можна розділити на кислотні (SiO2; P2O5; TiO2; та ін), основні (CaO; MgO; FeO; MnO тощо) і амфотарні (Al2O3; Fe2O3; Cr2O3; та ін) оксиди. Найважливішими компонентами шлаку, що надають основний вплив на його властивості, є оксиди SiO2 і CaO.  
Шлаки виконує кілька важливих функцій у процесі виплавки сталі:  
1. Зв'язує все оксиди (крім СВ), що утворюються в процесі окислення домішок чавуну. Видалення таких домішок, як кремній, фосфор і сірка, відбувається тільки після їх окислення і обов'язкового переходу у вигляді оксидів з металу в шлак. У зв'язку з цим шлак повинен бути належним чином підготовлений для засвоєння й утримання оксидів домішок;  
2. У багатьох сталеплавильних процесах служить передавачем кисню з атмосфери для печей до рідкого металу;  
3. У мартенівських і дугових сталеплавильних печах через шлак відбувається передача тепла металу;  
4. Захищає метал від насичення газами, що містяться в атмосфері печі.  
Змінюючи склад шлаку, можна відчищати метал від таких шкідливих домішок, як фосфор і сірка, а також регулювати по ходу плавки вміст в металі марганцю, хрому і деяких інших елементів.  
Для того, щоб шлак міг успішно виконувати свої функції, він повинен у різні періоди сталеплавильного процесу мати певний хімічний склад і необхідну плинність (величина зворотна в'язкості). Ці умови досягаються використанням як шихтових матеріалів плавки розрахункових кількостей шлакоутворюючих - вапняку, вапна, плавикового шпату, бокситу та ін  
                            

                               Виробництво сталі в конвертерах.  
Киснево-конвертерний процес являє собою один з видів переділу рідкого чавуну в сталь без витрати палива шляхом продувки чавуну в конвертері технічно чистим киснем, що подається через фурм, яка вводиться в метал зверху. Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуна, складає 350 кубометрів. Вперше киснево-конвертерний процес у промисловому масштабі був здійснений в Австрії в 1952 - 1953 рр.. на заводах у містах Лінці та Донавіце (за кордоном цей процес одержав назву ЛД за першими літерами міст, в нашій країні - киснево-конвертерного). В даний час працюють конвертери місткістю від 20 до 450 т, тривалість плавки, в яких становить 30 - 50 хв. Процес займає чільну роль серед існуючих способів масового виробництва сталі. Такий успіх киснево-конвертерного способу полягає в можливості переробки чавуну практично будь-якого складу, використанням металобрухту від 10 до 30%, можливість виплавки широкого сортаменту сталей, включаючи леговані, високою продуктивністю, малими витратами на будівництво, велику гнучкість і якістю продукції.  
 
Киснево-конвертерного процесу з верхньою продувкою. Конвертер має грушовидну форму з концентричній горловиною. Це забезпечує найкращі умови для введення в порожнину конвертера кисневої фурми, відведення газів, заливки чавуну і завалювання брухту і шлакоутворюючих матеріалів. Кожух конвертера виконують зварним із сталевих листів товщиною від 20 до 100 мм. У центральній частині конвертера кріплять цапфи, що з'єднуються з пристроєм для нахилу. Механізм повороту конвертера складається з системи передач, що зв'язують цапфи з приводом. Конвертер може повертатися навколо горизонтальної осі на 360о зі швидкістю від 0,01 до 2 об/хв. Процес виробництва сталі в кисневому конвертері, складається з наступних основних періодів: завантаження металобрухту, заливки чавуну, продувки киснем, завантаження шлакоутворюючих, зливу сталі і шлаку. Завантаження конвертера починається з завалювання сталевого брухту. Лом завантажують у нахилений конвертер через горловину за допомогою завалочні машин лотковою типу. Потім за допомогою заливальних кранів заливають рідкий чавун, конвертер встановлюють у вертикальне положення, вводять фурм і включають подачу кисню з чистотою не менше 99,5% О2. Одночасно з початком продування завантажують першу порцію шлакоутворюючих і залізної руди (40 - 60% від загальної кількості). Іншу частину сипучих матеріалів подають в конвертер в процесі продувки однією або кількома порціями, найчастіше 5 - 7 хвилин після початку продувки. На процес рафінування значний вплив надають положення фурми (відстань від кінця фурми до поверхні ванни) і тиск подається кисню. Звичайно висота фурми підтримується в межах 1,0 - 3,0 м, тиск кисню 0,9 - 1,4 МПа. Правильно організований режим продування забезпечує хорошу циркуляцію металу та його перемішування з шлаком. Останнє, у свою чергу, сприяє підвищенню швидкості окислення що містяться в чавуні C, Si, Mn, P. Важливим в технології киснево-конвертерного процесу є шлакообразованіе. Шлакообразованіе значною мірою визначає хід видалення фосфору, сірки та інших домішок, впливає на якість сталі, що виплавляється, вихід придатного і якість футеровки. Основна мета цієї стадії плавки полягає у швидкому формуванні шлаку з необхідними властивостями (основностью, жідкоподвіжностью і т. д.). Складність виконання цього завдання пов'язана з високою швидкістю процесу (тривалість продувки 14 - 24 хвилини). Формування шлаку необхідної основності і заданими властивостями залежить від швидкості розчинення вапна в шлаку. На швидкість розчинення вапна в шлаку впливають такі фактори, як склад шлаку, його окислення, умови змочування шлаком поверхні вапна, перемішування ванни, температурний режим, склад чавуну і т. д. Ранньому формування основного шлаку сприяє наявність первинної реакційної зони (поверхня дотику струменя кисню з металом) з температурою до 25000. У цій зоні вапно піддається одночасному впливу високої температури і шлаку з підвищеним вмістом оксидів заліза. Кількість що вводиться на плавку вапна визначається розрахунком і залежить від складу чавуну і змісту SiO2 руді, боксі, вапна та ін Загальна витрата вапна становить 5 - 8% від маси плавки, витрата бокситу 0,5 - 2,0%, плавикового штампа 0, 15 - 1,0%. Основність кінцевого шлаку повинна бути не менше 2,5.  
Окислення всіх домішок чавуну починається з самого початку продувки. При цьому найбільш інтенсивно на початку продувки окислюється кремній і марганець. Це пояснюється високою спорідненістю цих елементів до кисню при порівняно низьких температурах (1450 - 15000 С і менше).  
Окислення вуглецю в киснево-конвертерному процесі має важливе значення, тому що впливає на температурний режим плавки, процес шлакообразованія та рафінування металу від фосфору, сірки, газів і неметалевих включень.  
Характерною особливістю киснево-конвертерного виробництва є нерівномірність окислювання вуглецю як за об'ємом ванни, так і протягом продувки. З перших хвилин продувки одночасно з окисленням вуглецю починається процес дефосфораціі-видалення фосфору. Найбільш інтенсивне видалення фосфору йде в першій половині продування при порівняно низької температури металу, високому вмісті в шлаку (FeO); основность шлаку і його кількість швидко збільшується. Киснево-конвертерний процес дозволяє отримати <0,02% Р у готовій сталі. >  
Умови для видалення сірки при киснево-конвертерному процесі не можна вважати таким же сприятливим, як для видалення фосфору. Причина полягає в тому, що шлак містить значну кількість (FeO) і висока основность шлаку (> 2,5) досягається лише в другій половині продувки. Ступінь десульфурації при киснево-конвертерному процесі знаходиться в межах 30 - 50% і вміст сірки в готовій сталі складає 0,02 - 0,04%. Після досягнення заданого змісту вуглецю дуті відключають, фурм піднімають, конвертер нахиляють і метал через летку (для зменшення перемішування металу і шлаку) виливають у ківш.  Отриманий метал містить підвищений вміст кисню, тому завершальній операцією плавки є розкислювання металу, яке проводять в сталеразлівном ковші. Для цієї мети одночасно зі зливом стали на спеціальне поворотного жолобу в ківш потрапляють розкислювачі і легуючі добавки. Шлаки з конвертера зливають через горловину в шлаковий ківш, встановлений на шлаковозів під конвертером. Перебіг киснево-конвертерного процесу обумовлюється температурним режимом і регулюється зміною кількості дуття і введенням в конвертер охолоджувачів - металобрухту, залізної руди, вапняку. Температура металу при випуску з конвертера близько 1600о С. Під час продувки чавуну в конвертері утворюється значна кількість газів, що відходять. Для використання тепла відхідних газів і отчистки їх від пилу за кожним конвертером обладнані котел-утилізатор та установка для очищення газів. Управління конвертерним процесом здійснюється за допомогою сучасних потужних комп'ютерів, в які вводиться інформація про вихідні матеріали (склад і кількість чавуну, брухту, вапна), а також про показники процесу (кількість і склад кисню, газів, що відходять, температура і т. п.).  
 
Киснево-конвертерного процесу з донною продувкою. У середині 60-х років дослідами із вдування струменя кисню, оточеної шаром вуглеводнів, була показана можливість через днище без руйнування вогнетривів. В даний час у світі працюють кілька десятків конвертерів з донною продувкою садком до 250 т. Кожна десята тонна конвертерної сталі, виплавленої у світі, припадає на цей процес. Основна відмінність конвертерів з донною продувкою від конвертерів з верхнім дуттям полягає в тому, що вони мають менший питомий обсяг, тобто обсяг припадає на тонну продувається чавуну. В днище встановлюють від 7 до 21 фурм в залежності від ємності конвертора. Розміщення фурм у днище може бути різним. Зазвичай їх розташовують в одній половині днища так, щоб при нахилі конвертера вони були вище рівня рідкого металу. Перед установкою конвертера у вертикальне положення через фурми пускається дуття. В умовах донної продувки покращуються умови перемішування ванни, збільшується поверхня метал-зародження і виділення бульбашок СВ. Таким чином, швидкість обезуглерожіваніяпрі донної продувці вище в порівнянні з верхньою. Одержання металу з вмістом вуглецю менш 0,05% не становить труднощів. Умови видалення сірки при донної продувці більш сприятливі, ніж при верхній. Це також пов'язано з меншою окислення шлаку і збільшенням поверхні контакту газ - метал. Остання обставина сприяє видаленню частини сірки в газову фазу у вигляді SO2. Переваги процесу з донною продувкою полягають у підвищенні виходу придатного металу на 1 - 2%, скорочення тривалості продування, прискоренні плавлення брухту, меншій висоті будівлі цеху і т. д. Це становить певний інтерес, перш за все, для можливої заміни мартенівських печей без докорінної реконструкції будівель мартенівських цехів.  
 
Конвертерний процес з комбінованою продувкою. Ретельний аналіз переваг і недоліків способів виплавки сталі в конвертерах з верхньої та нижньої продувкою привів до створення процесу, в якому метал продувається киснем зверху і знизу - киснем у захисній сорочці або аргоном (азотом). Використання конвертера з комбінованою продувкою в порівнянні з продувкою тільки зверху дозволяє підвищити вихід металу, збільшити частку брухту, знизити витрату феросплавів, зменшити витрату кисню, підвищити якість сталі за рахунок зниження вмісту газів при продування інертним газом в кінці операції.  

Виробництво сталі  в мартенівських печах. Мартенівська піч складається з: плавильного простору 4, череня 7, склепіння 3, регенераторів 8 і 6 (які служать для підігрівання повітря і газового палива). У передній стінці мартенівської печі є вікна 9, через які з робочої площадки закидають шихту, беруть проби сталі і спостерігають за плавленням. У задній стінці міститься лоток для випускання сталі. Паливом служить мазут.

 

 
Сутність мартенівського процесу  полягає в переробці чавуну і  металевого брухту на Падуя відбивної  печі. У мартенівському процесі на відміну від конвертерного не досить тепла хімічних реакцій і  фізичного тепла шихтових матеріалів. Для плавлення твердих шихтових матеріалів, для покриття значних теплових втрат і нагрівання сталі до необхідних температур в піч підбиватися додаткове тепло, що отримується шляхом спалювання в робочому просторі палива в струмені повітря, нагрітого до високих температур.  
Для забезпечення максимального використання подається в піч палива (мазут попередньо підігріті гази) необхідно, щоб процес горіння палива закінчувався повністю в робочому просторі. У зв'язку з цим в піч повітря подається в кількості, що перевищує теоретично необхідне. Це створює в атмосфері печі надлишок кисню. Тут також присутній кисень, що утворюється в результаті розкладання при високих температурах вуглекислого газу і води.  
Таким чином, газова атмосфера печі має окислювальний характер, тобто в ній міститься надмірна кількість кисню. Завдяки цьому метал у мартенівської печі протягом всієї плавки піддав?? ться прямого або непрямого впливу окисної атмосфери.  
Для інтенсифікації горіння палива в робочому просторі частина повітря йде на горіння, може замінюватися киснем. Газоподібний кисень може надаватися безпосередньо в ванну (аналогічно продувці металу в конвертері).  
У результаті цього під час плавки відбувається окислювання заліза та інших елементів, що містяться в шихті. Утворені при цьому оксиди металів FeO, Fe2O3, MnO, CaO, P2O5, SiO2 і ін Разом з частинками поступово руйнується футеровки, домішками, що вносяться шихтою, утворюють шлак. Шлаки легше металу, тому він покриває метал в усі періоди плавки.  
Шихтові матеріали основного мартенівського процесу складаються, як і при інших сталеплавильних процесах, з металевої частини (чавун, металевий лом, розкислювачі, легуючі) і неметалевої частини (залізна руда, мартенівський агломерат, вапняк, вапно, боксит). Чавун може застосовуватися в рідкому вигляді або у чушках. Співвідношення кількості чавуну і сталевого брухту в шихті може бути різним у залежності від процесу, виплавлюваних марок сталі іекономіческіх умов.  
За характером шихтових матеріалів основний мартенівський процес ділитися на кілька різновидів, найбільше поширення з яких отримали скрап-рудний і скрап-процеси.  
При скрап-рудному процесі основну масу металевої шихти (від 55 до 75%) складає рідкий чавун. Цей процес широко застосовується на заводах з повним металургійним циклом.  
При скрап-процесі основну масу металевої маси шихти (від 55 до 75%) складає металевий брухт. Чавун (25 - 45%), як правило, застосовується у твердому вигляді. Таким процесом працюють заводи, на яких немає доменного виробництва.  
 
                             Виробництво сталі в електропечах.  
Електросталеплавильне виробництво - це отримання якісних і високоякісних сталей в електричних печах, що мають суттєві переваги у порівнянні з іншими сталеплавильними агрегатами.  
Виплавка сталі в електропечах заснована на використанні електроенергії для нагрівання металу. Тепло в електропечах виділяється в результаті перетворення електроенергії в теплову під час горіння електричної дуги чи в спеціальних нагрівальних елементах, або за рахунок збудження вихрових струмів. На відміну від конвертерного і мартенівського процесів виділення тепла в електропечах не пов'язано зі споживанням окислювача. Тому електроплавку можна вести в будь-якому середовищі - окисної, відновної, нейтральною і в широкому діапазоні тисків - в умовах вакууму, атмосферного або надлишкового тиску. Електросталь, призначену для подальшої переробки, виплавляють, головним чином в дугових печах з основною футеровкою і в індукційних печах.  
 
Дугові печі бувають різної ємності (до 250 т) і з трансформаторами потужністю до 125 тисяч кіловат. Джерелом тепла в дугового печі є електрична дуга, що виникає між електродами і рідким металом або шихтою при додатку до електродів електричного струму необхідної сили. Дуга являє собою потік електронів, іонізованих газів і парів металу та шлаку. Температура електричної дуги перевищує 3000о С. Дуга, як відомо, може виникати при постійному та постійному струмі. Дугові печі працюють на змінному струмі. При горінні дуги між електродом і металевою шихтою в перший період плавки, коли катодом є електрод, дуга горить, тому що простір між електродом і шихтою іонізується за рахунок випускання електронів з нагрітого кінця електрода. При зміні полярності, коли катодом стає шихта - метал, дуга гасне, тому що на початку плавки метал ще не нагрітий і його температура недостатня для емісії електронів. При подальшій зміні полярності дуга знову виникає, тому в початковий період плавки дуга горить уривчасто, неспокійно. Після розплавлення шихти, коли ванна покриває рівним шаром шлаку, дуга стабілізується і горить рівно.  
 
                       Виплавка сталі в кислих електродугових печах.  
Електродугової печі з кислою футеровкою зазвичай використовуються при виплавки сталі для фасонного лиття. Ємність їх складає від 0,5 до 6,0-10 т. Кисла футеровка більш термостійка і дозволяє експлуатувати піч з урахуванням умов перериваної роботи багатьох ливарних цехів машинобудівних заводів. Основним недоліком печей з кислою футеровкою є те, що під час плавки металу з не видаляються сірка і фосфор. Звідси, дуже високі вимоги до якості застосовуваної шихти за змістом цих домішок.  
Плавлення в кислому печі триває приблизно так само, як в основній печі (50-70 хв). У окислювальний період втечуть меншу кількість вуглецю (0,1 - 0,2%) та з-за підвищеного вмісту FeO в шлаку метал кипить без присадок залізної руди. Вміст SiO2 в шлаку до кінця окисного періоду підвищується до 55 - 65%. Коли метал нагрітий, починається відновлення кремнію за реакцією:  
(SiO2) + 2 [C] = [Si] + 2COгаз  
До кінця окисного процесу вміст Si у металі збільшується до 0,2 - 0,4%.  
 
Плавка з рафінуванням в ковші пічним шлаком. Застосовується на печах місткістю 100 - 200 т. Після закінчення окисного періоду і розкислення металу наводять новий шлаки з високим вмістом СаО. Протягом 40 - 60 хв шлак розкислють меленим коксом і феросиліцію. Перед випуском в шлак дають CaF2. Високе (10 - 20%) вміст CaF2 забезпечує високу рафінуючі здатність шлаку. При випуску з печі спочатку випускають у ківш рідкий шлак і потім потужним струменем метал. Перемішування металу з шлаком забезпечує високий ступінь рафінування від домішок (від сірки) і неметалічних включень. Однією з форм рафінування сталі в ковші можна вважати технологію синтетичних шлаків на основі СаО - Al2O3. У цьому випадку потрібні додаткові витрати для плавлення шлаку.  
 
                                  Плавка стали в індукційній печі.  
В індукційних печах для виплавки металу використовується тепло, що виділяється в металі за рахунок збудження в ньому електричного струму змінним магнітним полем. Джерелом магнітного поля в індукційній печі служить індуктор. Провідна електричний струм шихта, поміщена в тигель печі, піддається впливу змінного магнітного поля, що виникає від індуктора, нагрівається в наслідок теплового впливу вихрових струмів.  
У порівнянні з дуговими електропечами індукційні печі мають ряд переваг: відсутність електродів і електричних дуг дозволяє отримувати сталі та сплави з низьким вмістом вуглецю і газів; плавка характеризується низьким чадом легуючих елементів, високим технічним ККД і можливістю точного регулювання температури металу.  
  
Індукційна піч складається з вогнетривкої тигля, який міститься у індуктор. Індуктор являє собою соленоїд, виконаний з мідного водоохолоджуваних трубки. Ток до індуктора подається гнучкими кабелями. Воду для охолодження підводять гумовими шлангами. Вся піч поміщена в металевий кожух. Зверху тигель закривається склепінням. Для зливу металу піч може нахилятися у бік зливного шкарпетки. Тигель печі виготовляється набиванням або викладається цеглою. Для набивки використовують мелені вогнетривкі матеріали - основні (магнезит) або кислі (кварцит).  
Оскільки плавка в індукційній печі відбувається дуже швидко, шихта для неї використовується, як правило, з високоякісного металобрухту відомого складу. Перед плавкою відбувається точний розрахунок шихти за вмістом вуглецю, сірки і фосфору, а також легуючих елементов.Шіхту завантажують у тигель таким чином, щоб вона щільно заповнювала весь обсяг тигля. Після завантаження шихти включають струм на повну потужність. У міру проплавлення шихти завантажують, що залишилася. Потім на поверхню металу завантажують шлакоутворюючих суміш, що складається з вапна, магнезитового порошку і плавикового шпата.В процесі плавки шлак розкислють добавками порошку коксу і меленого розкислювача. По ходу плавки додають легуючі матеріали. Метал розкислють кусковим феросплавами і в кінці плавки алюмінієм. В індукційних печах виплавляють, як правило, сталі і сплави складного хімічного складу.  

                                 Методи розливання сталі.

Готова  сталь у ковші переноситься до місця розливання і розливається у виливниці. Є два способи  розливання сталі у виливниці: зверху і сифонним способом. Виливниці (рис.17) - це чавунні, рідше стальні форми. Щоб легше було виймати зливок, їх роблять конусними. Поперечний переріз може бути квадратний, круглий, прямокутний і багатогранний. Розливні ковші зварюють з листової сталі і викладають у середині шамотною цеглою. Найбільшого поширення набули шиберні ковші (рис.18). Вони дозволяють регулювати і перекривати струмінь сталі. Сифонне (знизу) розливання сталі показане на рис.19. Розливають зливки вагою до 100 т і більше. В останні десятиріччя безперервне розливання сталі дедалі ширше впроваджується у виробництво і у перспективі стане основним способом розливання сталі. На рис. 20 наведено схему безперервного розливання сталі. Із ковша 2 через проміжний розливний пристрій 1 рідка сталь безперервно надходить у кристалізатор 3, який охолоджується водою. У кристалізаторі формується зливок. Затверділий метал безперервно витягується із кристалізатора і охолоджується. Далі зливок розрізають на потрібні куски.

 

 

Список  використаної літератури.

 

«Технологія металів і інших конструкційних матеріалів» В.Т.Жадан, Б.Г. Гринберг, В.Я. Никонов Видання друге.

 

«Загальна хімія» Н.Л. Глинка Видання двадцять третє.

 

«Металургія»  А.П. Гуляєв 1966 рік.