UA-75651220-1

Загальні відомості про сучасні способи виробництва сталі

Сталь - найважливіший матеріал машинобудування й інших галузей промисловості.

Від чавуну вона відрізняється меншим вмістом вуглецю та домішок сірки і фосфору (0,06-0,07 %). До складу вуглецевих сталей у невеликих кількостях входять також марганець (до 0,8 %) і кремній (до 0,4 %). Леговані сталі для поліпшення властивостей вміщують додатково введені елементи (Ni, Cr, Ті, V та ін.). Вихідними матеріалами для виготовлення сталі є переробний чавун і сталевий брухт (скрап). Для одержання сталі з чавуну потрібно видалити частину вуглецю і шкідливих домішок, перевести їх у шлак або гази. Основними способами виробництва сталі є такі: киснево-конверторний, мартенівський і електричний.

Конвертор (рис. 1.2.20) виготовлений зі сталевого листа, який зсередини футерують (обкладають) основною хромомагнезитовою цеглою. Сучасний конвертер (об’ємом 100-350 т рідкого чавуну) встановлюють на станинах і оснащують механізмом повороту. У нижній частині він має глухе дно, а у верхній - відкриту горловину, через яку завантажують шихту. Робоче положення конвертора - вертикальне, а підчас завантаження і випуску сталі - горизонтальне. Перед початком роботи конвертор завантажують брухтом (до 30 %) і заливають рідким чавуном (1250-1400 °С), далі повертають конвертор у вихідне вертикальне положення, вводять кисневу фурму і додають шлакоутворюючі матеріали (флюси). Кисень подають під тиском 1-1,5 МПа через водоохолоджувану фурму 2, розташовану на відстані 0,7-3 м від рівня рідкого металу. Витрати кисню на виготовлення 1 т сталі становлять 50-60 м3. На початку процесу окислюються кремній, марганець і фосфор. Вони переходять у шлак, який зливають. Далі додають вапно для видалення у шлак сірки. Процес відбувається з інтенсивним виділенням тепла і не потребує палива. Температура підіймається до 2500 °С. Вуглець вигорає.
Рис. 1.2.20. Схема кисневого конвертора:
1 - отвір для зливання металу; 2 - водоохолоджувана фурма для подачі кисню; 3 - рідкого металу
Наприкінці плавлення сталь розкислюють: вводять елементи з високою здатністю до взаємодії з киснем (Si, Mn, Al). Ці елементи взаємодіють з оксидом заліза FeO, утворюючи нерозчинні МnО, SiO2, Al2O3, які переходять у шлак. Процес плавлення у 300-тонному конверторі триває 50-60 хв. Готову сталь зливають не через горловину, а крізь спеціальний отвір, що запобігає перемішуванню металу і шлаку.

Киснево-конверторний спосіб виробництва сталі не потребує значних витрат, він у 5-6 разів продуктивніший за мартенівський і електричний. Проте два останні способи також мають свої переваги.

Виробництво сталі в мартенівських печах здійснюють з використанням переробного чавуну (твердого або рідкого) і брухту. Іноді замість брухту використовують залізну руду. Як паливо використовують доменний, коксувальний або природний газ, а також мазут або нафту; флюс - вапняк СаСО3 (6-12 % від маси металу).

Мартен - регенеративна полуменева піч (рис. 1.2.21), у якій висока температура одержується за рахунок згоряння газу над плавильним простором (1750-1800 °С). Газ і повітря, що надходять до печі, попередньо нагрівають у регенераторах до 1200-1250 °С. Підігрівання продуктів горіння забезпечують у робочому просторі печі при згорянні палива температурою близько 2000 °С. У разі використання рідкого палива нагрівають лише повітря, а нафту або мазут подають через форсунки, розташовані в каналах головок печі.
Рис. 1.2.21. Мартенівська піч:
1 - клапани; 2, 3, 7, 8 - канали для подачi газу i повітря; 4, 5 - регенератори; 6 - под, 9 - головки; 10 - склепіння; 11 - заволочнi вiкна
Процес мартенівського плавлення в печі з основною футерівкою поділяють на три періоди: плавлення, кипіння, розкислення. Під час плавлення до печі подають найбільшу кількість тепла, відбувається окислення кремнію, марганцю, сірки, фосфору. Оксиди реагують з флюсами і переходять у шлак. Далі починається кипіння сталі з активним окисленням вуглецю в металі. У процесі кипіння здійснюють хімічний контроль. Коли вміст вуглецю досягає бажаного, а кількість сірки і фосфору стає мінімальною, кипіння припиняють і починають розкислення сталі феромарганцем, феросиліцієм, алюмінієм. Кінцеве розкислення сталі алюмінієм і феросиліцієм здійснюють під час випуску сталі у розливальному ковші. Процес мартенівського плавлення залежно від об’єму печі триває 6-14 год.

За ступенем розкислення сталь поділяють на киплячу (має газові вкраплення), напівспокійну і спокійну (гази відсутні). Киплячу сталь використовують для невідповідальних деталей; напівспокійну - для виготовлення дроту, конструкцій; спокійну - для виготовлення ресор, колінчастих валів тощо.

Продуктивність вітчизняних мартенівських печей становить майже 10 т на 1 м2 пода печі. Підвищення показників роботи печі досягають застосуванням кисневого дуття, двованних печей, автоматизації процесу.

Виробництво сталі в електропечах - найважливіший спосіб одержання сталей високої якості для відповідальних виробів та інструменту. Електроплавлення дає можливість здійснювати швидке нагрівання і підтримувати потрібну температуру в межах до 2000 °С, застосовувати окисну, відновлювальну або нейтральну атмосфери, вакуум. Це дає можливість одержувати сталі та сплави з мінімальною кількістю шкідливих домішок і оптимальним вмістом потрібних компонентів, забезпечити високу якість металу.

Електроплавлення здійснюють у дугових та індукційних печах.

Електродугова піч (рис. 1.2.22) складається зі сталевого циліндра зі сферичним або похилим днищем, футерованого вогнетривкою цеглою. Робочий простір печі зверху має склепіння 4 з отворами для графітизованих електродів 3 діаметром 350-550 мм.
Рис. 1.2.22. Схема електродугової печі:
1 - жолоб; 2 - отвір для випуску металу; 3 - електроди; 4 - склепіння; 5 - вікно; 6 - механізм нахилу печі
На електроди подають електричний струм напругою 200-600 В і силою 1-10 кА. Джерелом тепла є електрична дуга, що утворюється між електродами і шихтою. У стінці корпуса розташоване вікно 5 для завантаження шихти і спостереження за ходом плавлення, а також отвір для випуску металу 2 зі змінним жолобом 1. Механізмом 6 піч можна нахиляти для завантаження або зливання сталі та шлаку. Електродугові печі мають об’єм 0,5-400 т. Сталь виготовляють здебільшого у печах з основною футерівкою плавленням з окисленням або без окислення домішок.

Плавлення з окисленням нагадує мартенівський процес і застосовується для одержання вуглецевих сталей. Шихтою служить сталевий брухт, переробний чавун, кокс для навуглецювання і 2-3 % вапна. Після завантаження печі до електродів підводять струм, виникає дуга з температурою 3500 °С. Плавлення має два періоди: окислення і відновлення. На початку плавлення залізо, марганець, кремній і вуглець окислюються киснем, що надходить з повітря, з оксидів шихти та жаровини. Оксиди взаємодіють з вапном, утворюючи шлак. Наявність у шлаку оксиду кальцію сприяє зв’язуванню і видаленню фосфору. Період відновлення включає процеси розкислення сталі, видалення сірки і доведення вмісту компонентів до потрібної кількості. Для цього до печі подають флюс (вапно, фтористий кальцій, кокс, феросиліцій). Кокс і феросиліцій відновлюють оксид заліза, кількість його у шлаці зменшується і FeO переходить з металу в шлак, де відновлюється на границі шлак - метал. Завдяки цьому сталь не забруднюється домішками (SiO2, MnO, Аl2О3) на відміну від звичайного розкислення. Присутність у шлаці СаО інтенсивно видаляє сірку. Тому в електросталі її вміст не перевищує 0,015 %. У разі необхідності наприкінці періоду відновлення сталь розкислюють феросиліцієм або алюмінієм.

Плавлення без окислення застосовується для виготовлення легованих сталей з брухту або відходів відповідного складу. Процес зводиться до переплавлення і введення деяких компонентів сталі.