История производства чугуна и стали

1.Производство  чугуна и стали.    

Железо имело  промышленное применение уже до нашей  эры. В древние времена его  получали в пластичном состоянии  в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами  молота.     По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой  велся процесс. Металл  и шлак стали плавиться; стало возможным  разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле  повышалось содержание углерода  и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.     Позднее  научились перерабатывать чугун; зародился  двухступенчатый способ производства  железа из руды. В принципе  он сохраняется  до настоящего времени: современная  схема получения стали состоит  из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и  сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и  других примесей. Современный высокий  уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях  и открытиях, сделанных в различных  странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили  природный газ для доменной плавки. 

2. Производство чугуна.          

2.1. Исходные материалы. 

     Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

     Железная  руда состоит из рудного вещества  и пустой породы. Рудным веществом  чаще всего являются окислы, силикаты  и карбонаты железа. А пустая  порода обычно состоит из кварцита  или песчаника с примесью глинистых  веществ и реже – из доломита  или известняка.

     В  зависимости от рудного вещества  железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно,  и бедными, которых подвергают  обогащению.

     В  доменном производстве применяют  разные железные руды. 

     Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая. 

     Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится  25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.  

     Магнитный железняк содержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями  других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

     Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью. 

     Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

2.2. Производство чугуна  в доменной печи. 

    Выплавка  чугуна производится в огромных  доменных печах, выложенных из  огнеупорных кирпичей достигающих  30 м высоты при внутреннем диаметре  около 12 м. 

    Верхняя  ее половина носит название  шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне (фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

     Доменную  печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом  и коксом. Агломерат – это определенным  образом подготовленная руда, спеченная  с флюсом. Горение и необходимая  для выплавки чугуна температура  поддерживаются вдуванием в горн  подогретого воздуха или кислорода.  Последний поступает в кольцевую  трубу, расположенную вокруг нижней  части печи, а из нее по изогнутым  трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя  СО₂ , который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть руды, переходя снова в СО₂.

     Процесс  восстановления руды происходит  главным образом в верхней  части шахты. Его можно выразить  суммарным уравнением:

Fe₂O3 + 3CO = 2Fe + 3CO₂

     Пустую  породу в руде образуют, главным  образом диоксид кремния SiO₂.

Это – тугоплавкое  вещество. Для превращения тугоплавких  примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс. Обычно в качестве флюса используют  CaCo₃.  При взаимодействии его с SiO₂  образуется  CaSiO₂, легко отделяющийся в виде шлака.

     При  восстановлении руды железо получается  в твердом состоянии. Постепенно  оно опускается в более горячую  часть печи – распар - и растворяет  в себе углерод; образуется  чугун. Последний плавится и  стекает в нижнюю часть горна,  а жидкие шлаки собираются  на поверхности чугуна, предохраняя  его от окисления. Чугун и  шлаки выпускают по мере накопления  через особые отверстия, забитые  в остальное время глиной. 

     Выходящие  из отверстия печи газы содержат  до 25% СО. Их сжигают в особых  аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания,  вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того  как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками  на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

     Процесс  выплавки может быть ускорен  путем применения в доменных  печах кислорода. При вдувании  в доменную печь обогащенного  кислородом воздуха предварительный  подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость  в громоздких и сложных кауперах  и весь процесс упрощается. Вместе  с тем производительность печи  повышается и уменьшается расход  топлива. Такая доменная печь  дает в 1,5 раза больше железа  и требует кокса на ¼ меньше  чем обычная.       

3 .Производство  стали. 

В стали по сравнению  с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения  стали из чугуна необходимо снизить  концентрацию веществ путем окислительной  плавки.

В современной  металлургической промышленности сталь  выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских  и электрических  печах.   

    3.1. Производство стали в конверторах.

Конвертор представляет собой сосуд грушевидной формы. Верхнюю часть называют козырьком  или шлемом. Она имеет горловину, через которую жидкий чугун и  сливают сталь и шлак. Средняя  часть имеет цилиндрическую форму. В нижней части есть приставное днище,  которое по мере износа заменяют новым. К днищу присоединена воздушная  коробка, в которую поступает  сжатый воздух.

Емкость современных  конвекторов равна 60 – 100 т. и более, а давление воздушного дутья 0,3-1,35 Мн/м. Количество воздуха необходимого для  переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Перед заливкой чугуна конвектор поворачивают до горизонтального  положения, при котором отверстия  фурм оказываются выше уровня залитого чугуна. Затем его медленно возвращают в вертикальное положение и одновременно подают дутье, не позволяющее металлу  проникать через отверстия фурм в воздушную коробку. В процессе продувки воздухом жидкого чугуна  выгорают кремний, марганец, углерод  и частично железо.

При достижении необходимой концентрации углерода конвектор возвращают в горизонтальное положение и прекращают подачу воздуха. Готовый металл раскисляют и выливают в ковш. 

3.2.Производство  стали в мартеновских  печах. 

В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы с использованием горячего дутья.

Печь имеет  рабочее (плавильное) пространство и  две пары регенераторов (воздушный и газовый) для подогрева воздуха и газа. Газы и воздух проходят через нагретую до 1200°С огнеупорную насадку соответствующих регенераторов и нагреваются до 1000-1200° С. Затем по вертикальным каналам направляются в головку печи, где смешиваются и сгорают, в результате чего температура под сводом достигает 1680-1750° С. Продукты горения направляются из рабочего пространства печи в левую пару регенераторов и нагревают их огнеупорную насадку, затем поступают в котлы-утилизаторы и дымовую трубу. Когда огнеупорная насадка правой пары регенераторов остынет, остынет так что не сможет нагревать проходящие через них газы и воздух до 1100°С, левая пара регенераторов нагревается примерно до 1200-1300° С. В этот момент переключают направление движения газов и воздуха. Это обеспечивает непрерывное поступление в печь подогретых газов и воздуха. 

Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного  газов. Также применяют и природный  газ. Мартеновская печь, работающая на мазуте, имеет генераторы только для  нагрева воздуха.

 Шихтовые  материалы (скрапы, чугун, флюсы)  загружают в печь наполненной  машиной через завалочные окна. Разогрев шихты, рас плавление  металла и шлака в печи происходит  в плавильном пространстве при  контакте материалов с факелом  раскаленных газов. Готовый металл  выпускают из печи через отверстия,  расположенные в самой низкой  части подины. На время плавки  выпускное отверстие забивают  огнеупорной глиной. 

 Процесс плавки  в мартеновских печах может  быть кислым или основным. При  кислом процессе огнеупорная  кладка печи выполнена  из  динасов ого кирпича. Верхние  части подины наваривают кварцевым  песком и ремонтируют после  каждой плавки. В процессе плавке  получают кислый шлак  с большим  содержанием кремнезема (42-58%).

При основном процессе плавки подину и стенки печи выкладывают  из магнезитового кирпича, а свод – из динасов ого или хромомагнезитового кирпича. Верхние слои подины наваривают магнезитовым или доломитовым порошком и ремонтируют после каждой плавки. В процессе плавки получают кислый шлак с большим содержанием  54 – 56% СаО.

3.3. Производство стали  в электрических  печах. 

Для выплавки стали  используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные). Первые из них получили более широкое  применение в металлургической промышленности.

Дуговые печи имеют  емкость 3 - 80 т и более. На металлургических заводах устанавливают печи емкостью 30 –80 тонн. В электрических печах  можно получать очень высокие  температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов иметь, иметь основной шлак, хорошо очищать металл от вредных примесей, создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать высокого раскисления и дегазации металла.

Нагревание и  расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя  электрическими дугами. Электрические  дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами и металлической  шихтой.

Дуговая печь имеет  следующие основные части: сварной  или клепаный кожух цилиндрической формы, со сфероидальным днищем; подины и стенок; съемный арочный свод с отверстиями для электродов; механизм для закрепления вертикального перемещения электродов; две опорные станины; механизм наклона печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по желобу и в сторону загрузочного окна для скачивания шлака.

В сталеплавильных  печах применяют угольный и графитированные  электроды. Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и  составляет 350 – 550 мм. В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому  электроды постепенно опускают и  в необходимых случаях наращивают сверху.

3.3.1Технология выплавки стали в дуговых печах. В электрических дуговых печах высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали, применяют шихту в твердом состоянии. Твердую шихту в дуговых печах с основной футеровкой используют при плавке стали с окислением шихты и при переплавке металла без окисления шихты.

Технология плавки с окислением шихты в основной дуговой печи подобна технологии плавки стали в основных мартеновских печах (скрап-процессам). После заправки падины в печь загружают шихту. Среднее  содержание углерода в шихте на 0,5 –0,6% выше, чем в готовой стали. Углерод выгорает и обеспечивает хорошее кипение ванны. На подину печи загружают мелкий стальной лом, затем более крупный. Укладывать шихту в печи надо плотно. Особенно важно хорошо уложить куски шихты  в месте нахождения электродов. Шихту  в дуговые печи малой и средней  емкости загружают мульдами или  лотками через завалочное окно, а  в печи большой емкости через  свод, который отводят в сторону  вместе с электродами. После загрузки шихты электроды опускают до легкого  соприкосновения с шихтой. Подложив под нижние концы электродов кусочки  кокса, включают ток, и начинают плавку стали.

При плавки стали  в дуговых печах различают  окислительный и восстановительный  периоды.

Во время окислительного периода расплавляется шихта, окисляется кремний, марганец, фосфор, избыточный углерод, частично железо и другие элементы, например хром, титан, и образуется первичный шлак. Реакция окисления  такие же, как и при основном мартеновском процессе. Фосфор из металла  удаляется в течение первой половины окислительного периода, пока металл в  ванне сильно не разогрелся. Образовавшийся при этом первичный фосфористый  шлак в количестве 60 – 70% удаляют  из печи.   

Для получения  нового шлака в основную дуговую  печь подают обожженную известь и  другие необходимые материалы. После  удаления фосфора и скачивания первичного шлака металл хорошо прогревается и  начинается горение углерода. Для  интенсивного кипения ванны в печь забрасывают необходимое количество железной руды или окалины и шлакообразующих веществ.

Во время кипения  ванны в течение 45-60 мин избыточный углерод сгорает, растворенные газы и неметаллические включения  удаляются. При этом отбирают пробы  металла для быстрого определения  в нем содержания углерода и марганца и пробы шлака для определения  его состава. Основность шлака поддерживается  равной 2-2,5, что необходимо для задержания в нем фосфора.

После удаления углерода скачивают весь шлак. Если в металле в период окисления  углерода содержится меньше, чем требуется  по химическому анализу, то в печь вводят куски графитовых  электродов или кокс.

В восстановительный  период плавки раскисляют металл, переводят  максимально возможное количество серы в шлак, доводят химический состав металла до заданного и  подготовляют его к выпуску из печи.

Восстановительный период плавки в основных дуговых  печах при выплавке сталей с низким содержанием углерода проводится  под белым (известковым) слоем шлаком, а при выплавке высокоуглеродистых сталей – под карбидным шлаком.

Для получения  белого шлака в печь загружают  шлаковую смесь, состоящую из извести  и плавикового шпата. Через некоторое  время на поверхности образуется слой шлака с достаточно высокой  концентрацией FeO и MnO. Пробы шлака имеют темный цвет.

Перед раскислением металла в печь двумя-тремя порциями забрасывают второю шлаковую смесь, состоящей из кусковой извести, плавикового шпата, молотого древесного угля и кокса. Через некоторое время содержание Feo и MnO понижается. Пробы шлака становятся светлее, закись железа из металла начинает переходить в шлак. Для усиления раскисляющего действия  к концу восстановительного периода в печь забрасывают порошок ферросилиция, под влиянием которого содержание FeO в шлаке понижается. В белом шлаке содержится до 50 – 60% СаО, а на поверхности его плавает древесный уголь, что позволяет эффективно удалять серу из металла.

Во время восстановительного периода плавки в металл вводят необходимые  добавки, в том числе и легирующие. Окончательно металл раскисляют в печи алюминием.

Выплавка стали  под карбидным шлаком на первой стадии восстановительного процесса происходит так же, как и под белым шлаком. Затем на поверхность шлака загружают  карбидообразующую смесь, состоящую  из кокса, извести и плавкого шпата. При высоких температурах протекает реакция

CaO + 3C = CaC₂ + CO.

Образующийся  карбид кальция увеличивает раскислительную  и обессеривающую способность карбидного шлака. Для ускорения образования  карбидного шлака  печь хорошо герметизируют. Карбидный шлак содержит 55 –65% СаО  и 0,3 – 0,5% FeO; он обладает науглероживающей способностью.

При выплавке стали  методом переплава, в печь не загружают  железную руду; условия для кипения  ванны отсутствуют. Шихта состоит  из легированных отходов с низким содержанием фосфора, поскольку  его нельзя будет удалить в  шлак. Для понижения содержания углерода в шихту добавляют 10 – 15% мягкого  железа. Образующийся при расплавлении шихты первичный шлак из печи не удаляют. Это сохраняет легирующие элементы (Cr, Ti, V), которые переходят из шлака в металл.

3.3.2.Устройство и работа индукционных печей. Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу. Индукционная печь примерно работает так же как обычный трансформатор: имеется первичная катушка, вокруг которой при пропускании переменного тока создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит во вторичной печи переменный ток, под влиянием которого нагревается и расплавляется металл. Индукционные печи имеют емкость от 50 кг до 100 т и более.

В немагнитном  каркасе имеются индуктор и огнеупорный  плавильный двигатель. Индуктор печи выполнен в виде катушки с определенным числом витков медной трубки, внутри которой  циркулирует охлаждающая вода. Металл загружают в тигель, который является вторичной обмоткой. Переменный ток  вырабатывается в машинных или ламповых генераторах. Подвод тока от генератора к индуктору осуществляется посредством  гибкого кабеля или медных шин. Мощность и частота тока определяются емкостью плавильного тигля и состава  шихты. Обычно в индукционных печах  используется ток частотой 500 – 2500 Гц. Крупные печи работают на меньших частотах. Мощность генератора выбирают из расчета 1,0 – 1,4 кВт/кг шихты. Плавильные тигли печей изготавливают из кислых или основных огнеупорных материалов.

В индукционных печах сталь выплавляют методом  переплава шихты. Угар легирующих при  этом получается очень небольшим. Шлак образуется при загрузке шлакообразующих  компонентов на поверхность расплавленного металла. Температура шлака во всех случаях меньше температуры металла, так как шлак не обладает магнитной  проницаемости и в нем не индуцируется ток. Для выпуска стали из печи, тигель наклоняют в сторону сливного носка.

В индукционных печах нет углерода, поэтому металл не науглероживается. Под действием  электромагнитных сил металл циркулирует, что ускоряет химические реакции  и способствует получению однородного  металла.    

Индукционные  печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения, имеющих низкое содержание углерода и кремния. 

3.4.Новые методы производства и обработки стали. 

3.4.1.Электроннолучевая плавка металлов. Для получения особо чистых металлов и сплавов используют электроннолучевую плавку. Плавка основана на использовании кинетической энергии свободных электронов, получивших ускорение в электрическом поле высокого напряжения. На металл направляется поток электронов, в результате чего он нагревается и плавится.

Электроннолучевая плавка имеет ряд преимуществ: электронные  лучи позволяют получить высокую  плотность энергии нагрева, регулировать скорость плавки в больших пределах, исключить загрязнение расплава материалом тигля и применять  шихту в любом виде. Перегрев расплавленного металла в сочетании с малыми скоростями плавки и глубоким вакуумом создают эффективные условия  для очистки металла от различных  примесей. 

3.4.2.Электрошлаковый переплав. Очень перспективным способом получения высококачественного металла является электрошлаковый переплав. Капли металла, образующиеся при переплаве заготовки, проходят через слой жидкого металла и рафинируются. При обработке металла шлаком и направленной кристаллизации слитка снизу вверх содержание серы в заготовке снижается на 30 – 50%, а содержание неметаллических включений – в два-три раза. 

3.4.3.Вакуумирование стали. Для получения высококачественной стали, широко применяется вакуумная плавка. В слитке содержатся газы и некоторое количество неметаллических включений. Их можно значительно уменьшить, если воспользоваться вакуумированием стали при ее выплавке и разливке. При этом способе жидкий металл подвергается выдержке в закрытой камере, из которой удаляют воздух и другие газы. Вакуумирование стали производится в ковше перед заливкой по изложницам. Лучшие результаты получаются тогда, когда сталь после вакуумирования в ковше разливают по изложницам так же  в вакууме. Выплавка металла в вакууме осуществляется в закрытых индукционных печах.

3.4.4.Рафирование стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. Сущность этого метода состоит в том, что очистка стали от серы, кислорода и неметаллических включений производится при интенсивном перемешивании стали в ковше с предварительно слитым в него шлаком, приготовленном в специальной шлакоплавильной печи. Сталь после обработки жидкими шлаками обладает высокими механическими свойствами. За счет сокращения периода рафинирования в дуговых печах, производительность которых может быть увеличена на 10 – 15%. Мартеновская печь, обработанная синтетическими шлаками, по качеству близка к качеству стали, выплавляемой в электрических печах.