Производство стали: технология, способы, процесс

Первой ступенью получения стали является выплавка из руды чугуна. Последовательность технологических процессов получения чугуна и стали и изготовления из них строительных конструкций показана на рис. 1.

Выплавка чугуна из руды производится в доменных печах. Материалами, участвующими в этом процессе, являются железные руды, флюсы (плавни) и топливо.

Железные руды представляют собой окислы железа, т. е. различные соединения железа с кислородом. Обычно в составе руды имеются также и другие, не содержащие окислов железа, минералы, которые в металлургии называются «пустой породой».

Задачей доменного процесса является восстановление железа, т. е. удаление кислорода из окислов железа.

Одновременно с восстановлением железа удаляются пустые породы. Так как эти породы тугоплавки, к ним добавляют флюсы, т. е. вещества, образующие с ними легкоплавкие соединения.

Пустыми породами в большинстве случаев является кремнезем (SiO2) и глинозем (Аl2О3). В качестве флюса обычно добавляют известняк (СаСО3).

Сплавы флюсов с пустыми породами, являющимися отходами доменного процесса, называются доменными шлаками. Их удаляют из доменной печи в расплавленном состоянии.

В доменных печах в качестве топлива применяют в большинстве случаев каменноугольный кокс — продукт сухой перегонки коксующихся сортов каменного угля. Благодаря этому топливу достигается температура, необходимая не только для восстановления железа, но и для получения расплавленного чугуна и шлака.

Чугуны, получаемые при доменной плавке, подразделяются на литейные, применяемые для отливки труб, радиаторов и других изделий; передельные, идущие для производства стали, и специальные.

Основной задачей при переделке чугуна на сталь является понижение содержания примесей (С, Mn, Si, Р, S). Это достигается переводом примесей в соединения, не растворяющиеся в расплавленном металле, переходящие в шлак и удаляемые вместе с ним.

Необходимо иметь в виду, что при высоких температурах плавления металла требуется специальная футеровка (облицовка) изнутри металлического кожуха печи, иначе он начнет плавиться или даст значительные изменения формы.

Материал футеровки, будучи огнеупорным, тем не менее в некоторой степени участвует в происходящих во время плавки реакциях образования шлака, поэтому его состав имеет большое значение.

Для футеровки металлургических печей применяют следующие материалы: шамотный кирпич и шамотные изделия (шамотом называют предварительно обожженную огнеупорную глину); дннасовый кирпич и изделия, получаемые путем обжига измельченных кварцевых пород с известковой связкой; магнезитовый кирпич и порошок из обожженного магнезита; доломитовый кирпич и порошок из обожженного доломита.

Производство стали: технология, способы, процесс

В каждом из способов выплавки стали, приведенных на рис. 1. задача удаления примесей решается различно.

Производство стали: технология, способы, процесс

При конвертерном способе применяют специальную печь грушевидной формы, вращающуюся на горизонтальной оси (рис. 2). В настоящее время по этому способу выплавляют в среднем 10% стали.

После того как в конвертер залит жидкий чугун (с частичным заполнением объема), сквозь него через отверстия в днище продувают под давлением воздух. Окисляя железо, кислород воздуха образует соединение FeO, называемое закисью железа, растворимое в жидком металле, реагирующее на примеси и переходящее в сталь. Переход примесей в шлак уменьшает их содержание в выплавляемом металле.

Недостаток конвертерного способа — повышение содержания в стали азота, получающееся вследствие продувания воздуха. Кроме того, конвертерный способ не позволяет перерабатывать большое количество стального лома.

Производство стали: технология, способы, процесс

По мартеновскому способу плавка стали ведется на поду пламенной отражательной печи (рис. 3), верхняя часть рабочего пространства которой ограничена сводом, отражающим тепловой поток. Для получения необходимой температуры в рабочем пространстве печи сжигается в смеси с воздухом горючее (в большинстве случаев газ).

Мартеновский способ является универсальным, позволяющим получать стали разного качества с добавкой при выплавке их чугунного и стального лома (так называемого скрапа) и даже железных руд.

Производство стали: технология, способы, процесс

Электроплавка, производящаяся в дуговой печи (рис. 4), является современным и наиболее совершенным способом выплавки стали.

Достоинства такой печи состоят в том, что в ней достигаются очень высокие температуры, которые легко регулировать, а следовательно, и регулировать весь процесс. Доступ воздуха в печь ограничен.

Сталь получается лучшего качества, чем при других процессах, вследствие отсутствия печных окисляющих газов и соприкосновения металла с топливом.

Высокая температура при электроплавке создается электрической дугой между угольными  электродами и расплавленным металлом. Напряжение тока, требующееся при плавке, не превышает 150 в при силе тока, доходящей до 10 тыс. а. По размерам применения электроплавки и ее удельному весу в металлургической промышленности Советский Союз занимает первое место в мире.

В результате плавки и разливки металла по формам получаются стальные слитки. Дальнейшим этапом является горячая механическая их обработка для получения изделии определенного сечения и длины, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств стали.

После плавки и разливки полученный металл может иметь различные дефекты (пороки).

К ним относятся: усадочные раковины, которые могут распространяться в глубь слитка; неравномерное выделение (скопление) примесей (фосфор, углерод и сера) при затвердевании (обычно примеси скапливаются у стенок усадочных раковин); газовые пузыри, образующиеся вследствие того, что газы, появляющиеся в процессе раскисления стали, не успевают выделяться при ее затвердевании; плены, появляющиеся на поверхности металла от брызг или заливин при разливке в формы; неметаллические включения, представляющие собой, как правило, частицы шлаков; трещины от быстрого и неравномерного охлаждения металла и больших внутренних напряжений, возникающих в результате резких изменений температуры.

Основными видами горячей механической обработки стали являются прокатка и ковка. Поскольку арматурная сталь изготовляется прокаткой, в дальнейшем изложении ковка не освещается.

При прокатке нагретый слиток пропускают между вращающимися валками прокатного стана. В зависимости от формы рабочей поверхности валков могут быть получены изделия различных профилей.

При горячей механической обработке структура металла может изменяться, причем могут образовываться различные дефекты.

Например, если обработка производится при высоких температурах, сталь делается крупнозернистой и хрупкой. Усадочные пустоты и газовые пузыри сплющиваются и ведут к образованию внутренних трещин.

При прокатке на неравномерных скоростях и слишком больших обжимах также могут появиться трещины и расслоения.

Для обнаружения дефектов необходимо производить наружный осмотр изделий, а также исследование так называемого шлифа металла. Исследование производится с помощью микроскопа и с применением различных химических добавок, которые могут растворять или окрашивать отдельные частицы металла.

Источник: http://www.stroitelstvo-new.ru/armatura_raboti/metall_2.shtml

Производство стали

Сталь – это железоуглеродистый сплав, который содержит около 1,5% углерода, если его содержание увеличивается, то значительно повышается хрупкость и твердость стали. Основной исходный материал для производства стали — стальной лом и передельный чугун.

Содержание примесей и углерода в стали намного ниже, чем в чугуне. Поэтому суть металлургического передела в сталь чугуна – это уменьшение содержания примесей и углерода за счет их избирательного окисления и превращения в газы и шлак в процессе плавки.

В первую очередь окисляется железо при взаимодействии кислорода и чугуна в сталеплавильных печах. Вместе с железом окисляются фосфор, кремний, углерод и марганец.

Оксид железа, который образуется при высоком температурном режиме, отдает свой кислород в чугуне более активным примесям, при этом окисляя их. Производство стали осуществляется в три стадии.

Первая стадия производства стали — расплавление породы

Происходит расплавление шихты и нагревается ванна жидкого металла. Температура металла невысокая, энергично окисляется железо, образуется оксид железа и окисляются примеси: марганец, кремний и фосфор. Производство стали: технология, способы, процесс

Самая важная задача этой стадии производства стали – это удаление фосфора. Для этого нужно проводить плавку в основной печи, где шлак будет содержать оксид кальция (CaO). Фосфорный ангидрид — P2O5 будет образовывать с оксидом железа непрочное соединение (FeO)3 x P2O5. Оксид кальция – как более сильное основание, по сравнению с оксидом железа, и при не очень высоких температурах связывает P2O5 и превращает его в шлак.

Для того чтобы удалить фосфор, нужна не очень высокая температура, ванны шлака и металла, достаточное содержание в шлаке FeO. Для того чтобы увеличить в шлаке содержание FeO и ускорить окисление примесей добавляется в печь окалина и железная руда, наводя железистый шлак. Постепенно, по мере удаления из металла в шлак фосфора, содержание в шлаке фосфора повышается. Так что нужно убрать данный шлак с зеркала металла, а затем заменить его новым со свежими добавками оксида кальция. Происходит кипение металлической ванны. Начинается постепенно, по мере нагрева до высоких температур. При увеличении температуры интенсивней происходит реакция окисления углерода, протекающая с поглощением теплоты: Для того чтобы окислить углерод вводят в металл небольшое количество окалины, руды или вдувают кислород. При реакции углерода с оксидом железа, пузырьки оксида углерода выводятся из жидкого металла, и происходит «кипение ванны». Во время «кипения» сокращается в металле содержание углерода до требуемого количества, температура выравнивается по объему ванны, немного удаляются неметаллические включения, которые прилипают к всплывающим пузырькам CO и газы, которые проникают в пузырьки CO. Все это ведет к увеличению качества металла. А значит, данная стадия — основная в процессе производства стали. Создаются условия для того чтобы удалить серу. В стали сера находится в форме сульфида — FeS, растворяемого в основном шлаке. Чем будет выше температурный режим, тем больше сульфида железа растворится в шлаке и будет взаимодействовать с оксидом кальция CaO: Соединение, которое образуется – CaS, растворяется в шлаке, но при этом не растворяется в железе, так что сера выводится в шлак. Происходит восстановление оксида железа, который растворен в жидком металле. Увеличение содержания кислорода в металле при плавке необходимо для осуществления окисления примесей, но в уже готовой стали кислород является вредной примесью, потому что понижает механические свойства стали. Раскисление сталь осуществляется двумя методами: диффузионным и осаждающим. Диффузионное раскисление происходит благодаря раскислению шлака. В измельчённом виде ферросилиций, ферромарганец и алюминий переносят на поверхность шлака. Эти раскислители, восстанавливают оксид железа, и при этом сокращают содержание его в шлаке. А значит, оксид железа, который растворен в стали переходит в этот шлак. Оксиды, которые образуются при таком процессе, остаются в шлаке, а железо, уже в восстановленном виде, переходит в сталь, а в ней уменьшается содержание неметаллических включений и увеличивается ее качество. Осаждающее раскисление происходит благодаря введению в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферросилиция, ферромарганца, алюминия), которые содержат элементы, обладающие более высоким сродством к кислороду, в сравнении с железом. В конце концов, после раскисления восстанавливается железо и создаются оксиды: SiO2, MnO, Al2O5, имеющие меньшую плотность,в сравнении со сталью, и выводятся в шлак. Производство стали: технология, способы, процесс В зависимости от уровня раскисления можно выплавлять такие виды стали: — кипящие – не полностью раскислены в печи. Раскисление такой стали продолжается в изложнице при затвердевании слитка, за счет взаимодействия углерода и оксида железа: FeO + C = Fe + CO. Оксид углерода, который образовался, выводится из стали, обеспечивая удалению водорода и азота из стали, газы выводятся в виде пузырьков, приводя её к кипению. Кипящая сталь не имеет неметаллических включений, поэтому отличается высокой степенью пластичности.

  • спокойные — получается при абсолютном раскислении в ковше и в печи.
  • полуспокойные – отличаются промежуточной раскисленностью между кипящей и спокойной сталями. Частично раскисляется в ковше и в печи, а частично – в изложнице, за счет взаимодействия углерода и оксида желез, которые содержатся в стали.
Читайте также:  Проволока сварочная св08г2с: гост, расшифровка, характеристики

Легирование стали происходит введением чистых металлов или ферросплавов в определенном количестве в расплав. Легирующие элементы, которые имеют меньше сродство к кислороду, чем у железа (Co, Ni, Cu, Mo), при разливке и плавке не окисляются, и поэтому их вводят в какое-либо время плавки. Легирующие элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем у железа (Mn, Si, Cr, Al, Ti , V), в металл вводят после раскисления или вместе с ним на окончательном этапе плавки, а иногда и в ковш. Для производства стали на сталелитейных заводах должно быть специальное оборудование:

Кислородные конверторы

  • аргоновое хозяйство;
  • детали конвертеров (сосуды и несущие кольца конвертера);
  • фильтрация пыли;
  • отсасывание конвертерного газа;

Электропечи

  • индукционные печи (изготовление периферий);
  • дуговые печи (изготовление энергетических опор, стальных частей для горнов, охлаждение электродов);
  • загрузочные бадьи;
  • скрапное отделение;
  • частотные преобразователи для индукционного нагревания;

Вторичная металлургия

  • обессеривание стали;
  • гомогенизация стали;
  • электрошлаковый переплав;
  • создание вакуума;

Ковшовая технология

  • оборудование LF типа;
  • оборудование SL типа;

Ковшовое хозяйство

  • крышки литейных и разливочных ковшей;
  • литейные и разливочные ковши;
  • шиберные затворы;

Оборудование непрерывной разливки стали

  • разливочная поворотная станина для манипуляции с промежуточными ковшами и ковшами;
  • сегменты оборудования непрерывной разливки;
  • вагонетки промежуточных ковшей;
  • аварийные лотки и сосуды;
  • промежуточные ковши и подставки для складывания;
  • пробочный механизм;
  • передвижные мешалки чугуна;
  • охлаждающее оборудование;
  • выводные участки непрерывной разливки;
  • металлургические рельсовые транспортные средства.

Таким образом производство стали — это сложный технологический процесс, сочетающий базовые химические принципы получения железа, в сочетании с технологиями отливки стали.

Ссылка на promplace.ru обязательна

Источник: https://promplace.ru/articles/proizvodstvo-stali-31

Производство стали – технология, этапы, оборудование

Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%.

Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким.

Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Процесс производства стали

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется.

Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне.

Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

Расплавление породы

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец).

В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция.

При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием — оксидом кальция (CaO) — распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа.

Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак.

Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Процесс производства стали в электропечах

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода.

Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется.

Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Раскисление металла

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Производство стали в мартеновских печах

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки.

Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

  • спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
  • полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом.

Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся.

Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

  • системы обеспечения аргоном;
  • сосуды конверторов и их несущие кольца;
  • оборудование для фильтрации пыли;
  • система для удаления конверторного газа.

Участок электропечей:

  • печи индукционного типа;
  • дуговые печи;
  • емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
  • участок складирования металлического лома;
  • преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

  • очищение стали от серы;
  • гомогенизация стали;
  • электрошлаковый переплав;
  • создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

  • LF-оборудование;
  • SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

  • крышки ковшей;
  • ковши литейного и разливочного типа;
  • шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

  • поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
  • оборудование для осуществления непрерывной разливки;
  • вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
  • лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
  • промежуточные ковши и площадки для складирования;
  • пробочный механизм;
  • мобильные мешалки для чугуна;
  • оборудование для обеспечения охлаждения;
  • участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
  • внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

Источник: http://met-all.org/stal/proizvodstvo-stali-tehnologiya-etapy-oborudovanie.html

Способы производства стали

С момента изобретения стали, менялись и совершенствовались способы ее производства. В настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали.

К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства (или плавления) стали. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ.

Давайте остановимся на каждом способе более подробно и рассмотрим их отличия.

Кислородно-конвертерный способ

Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров воздуха.

Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой.

Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

Для осуществления этого метода необходим конвертер. Подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемую фурму под давлением. В данном случае, процесс окисления является наиболее значимым.

Окисление чугуна происходит под воздействием дутья. В результате окисления выделяется тепло, что способствует снижению примесей и повышению температуры металла.

далее происходит так называемое раскисление металла.

Мартеновский способ

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха.

Обязательное условие – топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы.

Читайте также:  Ацетилен: формула, свойства, получение, преимущества

Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 – 6 часов. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали.

Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

Электросталеплавильный способ

В результате электросталеплавильного способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных электрических печах. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали – использование электроэнергии для нагрева металла.

Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков.

Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов.

Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода.

Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор.

Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговая сварка.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После такой выплавки, сталь дополнительно переплавляют вакуумным дуговым переплавом. Что дает возможность получения качественной однородной стали.

Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях. Мы рассмотрели основные способы производства стали. Выбор способа всегда зависит от поставленных задач, удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов.

Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.

Вся эта сталь применяется для производства металлопроката и спец сталей, на нашей металлобазе Вы можете найти широкий выбор и того и другого. 

Источник: https://metallsk.ru/articles/sposoby-proizvodstva-stali/

Этапы выплавки стали

На этом этапе идет расплавление шихты и нагрев жидкого металла. Температура металла невысока. Начинается интенсивное окисление железа, так как оно содержится в наибольшем количестве в чугуне и по закону действующих масс окисляется в первую очередь. Одновременно начинает окис-лятся примеси Si, P, Mn.

 Образующийся оксид железа (FeO) при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементом (примесям в чугуне), окисляя их. Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси.

Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие оксиды же-леза.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу, в соответствии с которым хи-мические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах, а реакции поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла.

Наиболее важной задачей этого этапа является удаление фосфора. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак, содержащий СаО, применяемый для удаления фосфора.

В ходе плавки фосфорный ангидрид Р2О5 образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3⋅Р2О5. Оксид кальция СаО более сильное основание, чем оксид железа. Поэтому при невысоких температурах он связывает ангидрид Р2О5 в прочное соединение , (CaO)⋅Р2О5 переводя его в шлак.

Для удаления фосфора из металла шлак должен содержать достаточное количество оксида железа FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке в сталеплавильную печь в этот период плавки добавляют железную руду, окалину, наводя железистый шлак.

По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание его в шлаке возрастает.

В соответствии с законом распределения, когда вещество растворяется в двух несмешивающихся жидкостях, распределение его между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения постоянного для данной температуры. Поэтому удаление фосфора из металла замедляется и для более полного удаления фосфора из металла шлак, содержащий фосфор удаляют, и наводят новый со свежими добавками (CaO).

Второй этап

Этап начинается по мере прогрева металлической ванны до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, проходящая с поглощением тепла. Для окисления углерода на этом этапе в металл вводят зна-чительное количество руды, окалины или вдувают кислород.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом и пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. При кипении ванны:

  • уменьшается содержание углерода в металле;
  • выравнивается температура и состав ванны;
  • удаляются частично неметаллические включения в шлак.
  • Все это способствует повышению качества металла.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ванне находится в виде сульфида железа, растворенного в металле [FeS] и шла-ке (FeS).

Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке или больше серы переходят из металла в шлак.

Сульфид железа, раство-ренный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция СаО, также растворенным в шлаке, образуя соединение CaS, которое растворимо в шлаке, но не растворя-ется в металле. Таким образом сера удаляется в шлак.

Третий этап

Этот этап является завершающим, в котором производится раскисление и, если требуется, легирование стали.

 Раскисление представляет собой технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое соединение и удаляется из металла. При плавке повышенное содержание кислорода в металле необходимо для окисления примесей.

В готовой же стали кислород является нежелательной примесью, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Для раскисления стали используют элементы-ракислители, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей используют марганец, кремний, алюминий. Существует несколько способов раскисления стали. Наиболее широко применяются:

  • осаждающий способ;
  • диффузионный.

Осаждающий способ

Раскисление по этому способу осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алю-миния), содержащих Mn, Si, Al.

В результате раскисления образуются оксиды MnO, SiO2, Al2O3, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть оксидов не успевает всплыть и удалится из металла, что понижает его свойства.

Этот способ называют иногда глубинным, так как рас-кислители вводятся в глубину металла.

Диффузионный способ

По этому способу раскисление осуществляют раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители загружают в мелкоизмельченном виде на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке.

В соответс-твии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начнет пе-реходить в шлак.

Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаю-тся в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает в ней содержание неметаллических включений повышает ее качество.

Ввиду того, что скорость процесса перемещения кислорода из металла в шлак определяется скоростью его диффузии в металле, этот способ имеет и не-которые недостатки. Из-за малой скорости диффузии кислорода в металле про-цесс удаления кислорода идет медленно, возрастает продолжительность плавки. В зависимости от степени раскисленности различают стали:

  • кипящие;
  • спокойные;
  • полуспокойные.

Кипящая сталь

Это сталь, выплавленная без проведения операции рас-кисления. При разливке такой стали и при ее постепенном охлаждении в излож-нице будет протекать реакция между растворенными в металле кислородом и углеродом[O]+[C]=COг

Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода СО будут выделятся из кристаллизующегося слитка, и металл будет бурлить. Такую сталь называют кипящей. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений, представляющих продукты раскисления. Поэтому она обладает хорошей пластичностью.

Спокойная сталь

Это сталь, полученная после проведения операции рас-кисления. Такая сталь при застывании в изложнице ведет себя спокойно, из нее не выделяются газы. Такую сталь называют спокойной.Полуспокойная сталь.

Сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Раскисление ее проводят частично, удаляя из нее не весь кислород. Оставшийся кислород вызывает кратковременное кипение металла в начале его кристаллизации.

Такую сталь называют полуспокойной.

Легированные стали

Легированием называют процесс присадки в сталь специальных (легирующих) элементов с целью получить так называемую леги-рованную сталь с особыми физико-химическими или механическими свойствами. Легирование осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в сплав.

 Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у же-леза (Ni, Cu, Co, Mo), при плавке и разливке практически не окисляются и по-этому их вводят в печь в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al и др.

), вводят в металл после или одновременно с раскислением.

Источник: https://MetalSpace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/proizvodstvo-stali/406-etapy-vyplavki-stali.html

Введение

Металлы находят широкое применение в современной технике благодаря как химическим, так, в особенности, и физическим их свойствам. Общность физических свойств металлов (высокая электрическая проводимость, теплопроводность, ковкость, пластичность) объясняется общностью строения их кристаллических решеток.

Современные технологии почти полностью зависят от электропитания, где в производстве трансформаторов и генераторов применяют электротехническую сталь. Сталь часто используют для изготовления конструкций, армирования железобетонных конструкций, устройства кровли, подмостей, ограждений и т.д.

Целью данной работы было изучить основные способы производства стали, ее свойства, а так же маркировки.

Сущность процесса

Стали — железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твёрдость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения. Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь — снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:

Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

  • Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа:
  • Расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.
  • Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.

Наиболее важная задача этапа — удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит . Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение . Оксид кальция — более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает и переводит его в шлак:

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке . Для повышения содержания в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак.

Читайте также:  Красная черта на шкале манометра: назначение, требование, правила нанесения

А удаления фосфора из металла в шлак, сопровождается новыми свежими добавками . Кипение металлической ванны — начинается по мере прогрева до более высоких температур.

При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны».

При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам , а также газы, проникающие в пузырьки .

Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап — основной в процессе выплавки стали. Также создаются условия для удаления серы. Сера в стали находится в виде сульфида (), который растворяется также в основном шлаке.

Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция :

Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак. Раскисление стали заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.

При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород — вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо, и образуются оксиды: , которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке.

Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак.

Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:

  • — спокойные,
  • — кипящие,
  • — полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода: .

Образующийся оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав.

Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки.

Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

  1. Способы выплавки стали.
  2. Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.
  3. Производство стали в мартеновских печах.

Мартеновский процесс (1864-1865, Франция). В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла — стального скрапа. Вместимость печи составляет 200-900 т.

Способ позволяет получать качественную сталь. Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут.

Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных печей — до 12 часов. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт — 400…600 плавок. В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

  • — скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25…45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.
  • — скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55…75 %), скрапа и железной руды, процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Футеровка печи может быть основной и кислой.

В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах. В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали.

Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора. Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений.

Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, их используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.

Производство стали в кислородных конвертерах.

Кислородно-конвертерный процесс — выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Первые опыты в 1933-1934 — Мозговой. В промышленных масштабах — в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице.

В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали. Кислородный конвертер — сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера — 130-350 т жидкого чугуна.

В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 0 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой и осматривают футеровку, ремонтируют.

В кислородных конвертерах выплавляют стали с различным содержанием углерода, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали.

Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130-300 т заканчивается через 25-30 минут.

Производство стали в электропечах.

Плавильные электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами: легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока, получать высокую температуру металла, а так же раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений. Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей. Различают дуговые и индукционные электропечи.

Дуговая плавильная печь.

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет три цилиндрических электрода из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях, к которым подводится электрический ток по кабелям. Между электродом и металлической шихтой возникает электрическая дуга.

Корпус печи имеет форму цилиндра. Вместимость печей составляет 0,5-400 тонн. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, а в литейных — с кислой.

В основной дуговой печи осуществляется плавка двух видов: на шихте из легированных отходов (методом переплава) и на углеродистой шихте (с окислением примесей).

Плавку на шихте из легированных отходов ведут без окисления примесей. После расплавления шихты из металла удаляют серу, наводя основной шлак, при необходимости науглероживают и доводят металл до заданного химического состава. Проводят диффузионное раскисление, подавая на шлак измельченные ферросилиций, алюминий, молотый кокс.

Так выплавляют легированные стали из отходов машиностроительных заводов. Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый передельный чугун, электродный бой или кокс, для науглероживания металлов и известь. Опускают электроды, включают ток.

Шихта под действием электродов плавится, металл накапливается в подине печи.

Во время плавления шихты кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо, кремний, фосфор, марганец, частично, углерод. Оксид кальция из извести, и оксид железа образуют основной железистый шлак, способствующий удалению фосфора из металла. После нагрева до 1500-1540 0C загружают руду и известь, проводят период «кипения» металла, происходит, а после удаляют шлак.

Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Конечное раскисление проводят алюминием и силикокальцием, выпускают сталь в ковш. При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов.

В дуговых печах выплавляют высококачественные углеродистые стали — конструкционные, инструментальные, жаростойкие и жаропрочные.

Индукционные тигельные плавильные печи.

Выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы. Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

Печь состоит из водоохлаждаемого индуктора, внутри которого находится тигель (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-2000 Гц).

Под действием электромагнитного поля индуктора при плавке происходит интенсивная циркуляция жидкого металла, что способствует ускорению химических реакций, получению однородного по химическому составу металла, быстрому всплыванию неметаллических включений, выравниванию температуры.

В индукционных печах выплавляют сталь и сплавы из легированных отходов методом переплава, или из чистого шихтового железа и скрапа с добавкой ферросплавов методом сплавления.

После расплавления шихты на поверхность металла загружают шлаковую смесь для уменьшения тепловых потерь металла и уменьшения угара легирующих элементов, защиты его от насыщения газами. При плавке в кислых печах, после расплавления и удаления плавильного шлака, наводят шлак из боя стекла . Для окончательного раскисления перед выпуском металла в ковш вводят ферросилиций, ферромарганец и алюминий. В основных печах раскисление проводят смесью из порошкообразной извести, кокса, ферросилиция, ферромарганца и алюминия.

В основных печах выплавляют высококачественные легированные стали с высоким содержанием марганца, титана, никеля, алюминия, а в печах с кислой футеровкой — конструкционные, легированные другими элементами стали.

В печах можно получать стали с незначительным содержанием углерода и безуглеродистые сплавы, так как нет науглероживающей среды. При вакуумной индукционной плавке индуктор, тигель, дозатор шихты и изложницы, помещают в вакуумные камеры.

Получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений и сплавы, легированные любыми элементами.

Разливка стали

Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, и получают слитки, которые подвергаются прокатке, ковке.

Изложницы — чугунные формы для изготовления слитков.

Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки.

Слитки прямоугольного сечения — на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок.

Сталь разливают в изложницы сверху, снизу (сифоном) и на машинах непрерывного литья.

Источник: https://studwood.ru/1722697/tovarovedenie/proizvodstvo_stali

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector