Производство стали. 8

Вступ

Залізо і його сплави є основою сучасної технології і техніки. У ряді конструкційних металів залізо стоїть на першому  місці і не поступиться йому ще довгий час, незважаючи на те, що кольорові  метали, полімерні і керамічні  матеріали знаходять все більше застосування. Залізо і його сплави складають більше 90% всіх металів, що застосовуються в сучасному виробництві. Найважливішим сплавом заліза є  сталь.

Сталь (криця)— сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю і домішками (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази). У сталі в порівнянні з чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки і фосфору. Для одержання сталі з чавуна необхідно знизити концентрацію речовин шляхом окисної плавки.  

1. Історія виробництва  сталі

Сталь отримано з чавуну у II ст. до Р.Х. китайськими металургами. Спосіб отримав назву “сто очищувань” і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавленого чавуну при його перемішуванні. Це приводило до зменшення частки вуглецю в металі й наближенні його до властивостей сталі.

Винахід сталі згадується у трактаті “Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.).

У Європі подібний спосіб пудлінгування був освоєний лише у другій половині ХVIII ст. (патенти братів Томаса і Джорджа Кранеджі та Г. Корта). 

2. Загальні відомості  про виробництво  сталі

Суть процесу переробки  чавуну на сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок — фосфору і сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.

Залежно від способу  окиснення вуглецю існують різні  способи переробки чавуну на сталь:

• конверторний;
• мартенівський;
• електротермічний.

В Україні найбільш поширений мартенівський  спосіб, за яким одержують понад 80 % світової виробки сталі. Україна станом на 2008 р. займає п’яте місце у світі за обсягами експорту сталі, 76,46 %, що виробляється на світовому ринку, припадає на десять провідних країн. 
 
 

3. Класифікація сталі  та її властивості

За  хімічним складом сталі поділяють на дві групи:

• вуглецеві:
1. маловуглецеві (до 0,25% С) - м'яка сталь, або технічне залізо
2. середньовуглецеві (0,3...0,55% С) тверда сталь
3. високовуглецеві (0,6...0,85% С) тверда сталь
• леговані (залежно від того, які елементи введено до їхнього складу):
1. хромисті
2. марганцевисті
3. хроммарганцевисті
4. хромнікелеві

За  призначенням:

• конструкційні
• інструментальні
• особливих властивостей

За  якістю:

(Якість  сталі залежить  від металургійного  процесу виробництва;  якість визначається  вмістом в сталі  газів кисню, водню,  азоту і шкідливих  домішок (сірка  і фосфор)

• звичайної якості
• якісні
• високоякісні
• особливовисокоякісні

За  способом розкиснення:

• спокійні
• напівспокійні
• киплячі

(Кипляча сталь — не повністю розкиснена в печі. Виділення газів відбувається й при затвердінні зливка, тому в ньому утворюється велика кількість розосередженних газових бульок. Вони зникають при подальщій гарячій прокатці. Найдешевша.) 

Властивості сталей залежать від  їх складу і структури, які формуються присутністю  та процентним вмістом  наступних складових:

• Вуглець — складова, із збільшенням вмісту якої у сталі, збільшується її твердість і міцність, при цьому пластичність зменшується.
• Кремній і марганець - у межах (0,5...0,7 %) істотного впливу на властивість сталі не роблять.
• Сірка є шкідливою домішкою, яка обумовлює червоноламкість матеріалу при обробці тиском з підігріванням. Крім цього, сірка зменшує пластичність і міцність, стійкість до зношування та корозійну стійкість.
• Фосфор надає сталі холодноламкості (крихкість при понижених температурах).
• Ферит — залізо з об'ємноцентрованою кристалічною ґраткою і сплави на його основі є фазою м'якою і пластичною.
• Цементит — карбід заліза, надає сталі твердості та крихкості.
• Перліт — евтектоїдна суміш двох фаз — фериту і цементиту, (містить 1/8 цементиту) і тому має підвищену міцність і твердість порівняно з феритом.

Тому  доевтектоїдні сталі набагато еластичніші, ніж заевтектоїдні. 

4. Виробництво сталі  в конверторах

Залежно від матеріалу футеровки печі конверторний спосіб поділяють на два види:

• бесемерівський;
• томасівський.

Для інтенсифікації бесемерівського і томасівського процесів в останні роки почали застосовувати збагачене киснем дуття – киснево-конверторний спосіб.  

4.1 Бесемерівський спосіб  виробництва сталі 

Бесемерівським  способом переробляють чавуни, які містять  мало фосфору і  сірки й багаті на силіцій (не менше 2 %).

Генрі Бесемер – засновник  сталеплавного виробництва

• При продуванні кисню спочатку окиснюється силіцій з виділенням значної кількості тепла. Внаслідок цього початкова температура чавуну приблизно з 1300 °C швидко піднімається до 1500—1600°С. Вигоряння 1 % Si обумовлює підвищення температури на 200 °C.
• Близько 1500 °C починається інтенсивне вигоряння вуглецю. Разом з ним інтенсивно окиснюється й залізо, особливо під кінець вигоряння силіцію і вуглецю.
• Монооксид заліза FeO, що утворюється, добре розчиняється в розплавленому чавуні і частково переходить у сталь, а частково реагує з SiO₂ й у вигляді силікату заліза FeSiO₃ переходить у шлак.
• Фосфор повністю переходить з чавуну в сталь, бо P₂O₅ при надлишку SiO₂ не може реагувати з основними оксидами, оскільки SiO₂ з останніми реагує більш енергійно. Тому фосфористі чавуни переробляти в сталь цим способом не можна.
• Усі процеси в конверторі йдуть швидко — протягом 10— 20 хвилин. При продуванні повітря, збагаченого киснем, процеси прискорюються.
• Монооксид вуглецю CO, що утворюється при вигорянні вуглецю, пробулькуючи вгору, згоряє там, утворюючи над горловиною конвертора факел світлого полум'я, який в міру вигоряння вуглецю зменшується, а потім зовсім зникає, що і служить ознакою закінчення процесу.
• Одержувана при цьому сталь містить значні кількості розчиненого монооксиду заліза FeO, який сильно знижує якість сталі. Тому перед розливною сталь треба обов'язково розкиснювати за допомогою різних розкисників — феросиліцію, феромангану або алюмінію.
• Монооксид мангана MnO як основний оксид реагує з SiO₂ і утворює силікат мангана MnSiO₃, який переходить у шлак.
• Оксид алюмінію як нерозчинна при цих умовах речовина теж спливає наверх і переходить у шлак.

Незважаючи  на простоту і велику продуктивність, бесемерівський спосіб тепер не досить поширений, оскільки він має ряд  істотних недоліків.

Так, чавун для  бесемерівського способу повинен  бути з найменшим вмістом фосфору  і сірки, що далеко не завжди можливо. При цьому способі відбувається дуже велике вигоряння металу, і  вихід сталі становить лише 90 % від маси чавуну, а також витрачається багато розкисників. Серйозним недоліком є неможливість регулювання хімічного складу сталі.

Бесемерівська сталь містить  звичайно менше 0,2 % вуглецю і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, болтів, дахового заліза тощо. 
 
 
 

4.2 Томасівський спосіб  виробництва сталі

Томасівським  способом переробляють чавун з великим  вмістом фосфору (до 2 % і більше).

Сідней  Томас вперше очистив  чавун від високого вмісту фосфору

Томасівським  способом переробляють чавун з великим  вмістом фосфору (до 2 % і більше).

• Основна відмінність цього способу від бесемерівського полягає в тому, що футеровку конвертора роблять з оксидів магнію і кальцію (які одержують з доломіту MgCO₃ • CaCO₃). Крім того, до чавуну додають ще до 15 % CaO. Внаслідок цього шлакоутворюючі речовини містять значний надлишок оксидів з основними властивостями.
• У цих умовах фосфатний ангідрид P₂O₅, який виникає при згорянні фосфору, взаємодіє з надлишком CaO з утворенням фосфату кальцію, що переходить у шлак.

Реакція горіння фосфору  є одним з головних джерел тепла при  цьому способі. При згорянні 1 % фосфору температура конвертора піднімається на 150 °C.

• Сірка виділяється в шлак у вигляді нерозчинного в розплавленій сталі сульфіду кальцію CaS, який утворюється внаслідок взаємодії розчинного FeS з CaO за реакцією.
• Усі останні процеси відбуваються так само, як і при бессемерівському способі.

Недоліки  томасівського способу  такі ж, як і бессемерівського. Томасівська сталь також маловуглецева і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, дахового заліза тощо. 

4.3 Киснево-конверторний  спосіб виробництва  сталі 

Для інтенсифікації бесемерівського і томасівського  процесів в останні роки почали застосовувати  збагачене киснем дуття.

Киснево-конверторний спосіб оснований  на продувці розплавленого  чавуну киснем, який окиснює домішки, які містяться  в чавуні.

Основний  агрегат – кисневий конвертор, що являє собою стальну посудину грушоподібної форми, яка футерована вогнетривкою цеглою.

Конвертор спирається на дві цапфи, які підтримують  його і дозволяють повертати навколо  горизонтальної осі. Подача кисню під  тиском 0,8 – 1,2 МПа здійснюється по фурмі, що охолоджується водою.

• Перед початком процесу в конвертор завантажують залізну руду, стальний брухт, вапно і заливають рідкий чавун.
• В конвертор опускають фурму і починають продувку киснем. Кисневий струмінь при попаданні в рідкий чавун насамперед окиснює залізо з утворенням його закису (FeO):
• Закис заліза частково переходить у шлак, а частково розчиняється в рідкому металі, що сприяє окисненню інших складових чавуну. Вигоряння вуглецю починається з перших хвилин продувки:
• Водночас з ним окиснюються марганець і сицілій:
• Для видалення фосфору в шлак його необхідно зв’язати з киснем в фосфорний ангідрит (Р₂О₅). Ошлакування фосфору здійснюється доданням флюсу – вапна:
• Крім того, у розплаві протікають реакції прямого відновлення заліза:
• По мірі вигоряння вуглецю й інших елементів утворюється надмірна кількість тепла, аж до руйнування футерівки конвертора, перегріву металу і, як наслідок цього, до підвищеного угару металу і погіршення якості сталі. Для охолодження розплаву в нього вводять охолоджуючі добавки: залізну руду, стальний брухт.
• При доведенні вмісту вуглецю до заданого дуття відключають і сталь виливають з конвертора в ківш. Однак закис заліза, що утворився при плавці і залишився у сталі додає їй крихкості і знижує міцність. Щоб видалити цю шкідливу домішку сталь розкиснюють.
• У ківш зі сталлю вводять дрібні грудки розкиснювачів (феросиліцій, феромарганець, алюміній і ін.) – хімічних елементів, що більше активні до кисню (оксиґену) ніж залізо. Розкиснювачі зв’язують в оксиди силіцій і марганець, що легко спливають в шлак, а сталь при цьому звільняється від розчиненого в ній кисню:
• Після розкиснення сталь розливають по формах (виливницях), де вона застигає у вигляді злитків.

В кисневих конверторах  виплавляють вуглецеві  і низьколеговані сталі. Киснево-конверторний спосіб – найбільш продуктивний (тривалість плавки – 50-60 хв.).

Процес не потребує палива (використовується фізичне тепло  рідкого чавуну і екзотермічних  реакцій вигоряння домішок). Але  при цьому способі вихід готового металу порівняно невеликий (90-92 % від вихідного) і ним можна переробляти тільки невелику кількість металобрухту. 
 

5. Виробництво сталі  в мартенівських  печах

Мартенівський спосіб відрізняється від конверторного тим, що випалювання надлишку вуглецю в чавуні відбувається за рахунок не лише кисню повітря, а й кисню оксидів заліза, які додаються у вигляді залізної руди та іржавого залізного брухту.

Мартенівський спосіб з’явився в результаті необхідності переробки великої кількості  металобрухту, масова переробка якого  в конверторах неможлива. Ця проблема була вирішена шляхом створення полуменевої (мартенівської) печі.

Понад 80 % всієї виплавленої сталі одержують мартенівським способом.

  Розповсюдженість  способу пояснюється  його універсальністю:

• плавку можна вести як на твердій, так і на рідкій шихті з будь-якими співвідношеннями металобрухту і чавуну;
• спосіб характеризується невисокими вимогами до якості сировини;
• процес плавки добре регулюється;
• вихід готової сталі високий;
• процес дозволяє виготовити сталь майже всього сортаменту.

Мартенівська  піч складається з плавильної ванни, перекритої склепінням з вогнетривкої цегли, і особливих камер регенераторів для попереднього підогріву повітря і горючого газу.

Регенератори заповнені  насадкою з вогнетривкої цегли. Коли перші два регенератори нагріваються пічними газами, горючий газ і  повітря вдуваються в піч через  розжарені третій і четвертий  регенератор. Через деякий час, коли перші два регенератори нагріваються, потік газів спрямовують у  протилежному напрямку і т. д.

Плавильні ванни потужних мартенівських печей мають довжину до 16 м, ширину до 6 м і висоту понад 1 м. Місткість таких ванн досягає 500 т сталі.

• В плавильну ванну завантажують залізний брухт і залізну руду. До шихти додають також вапняк як флюс. Температура печі підтримується при 1600—1650 °C і вище. Вигоряння вуглецю і домішок чавуну в перший період плавки відбувається головним чином за рахунок надлишку кисню в горючій суміші за тими ж реакціями, що і в конверторі, а коли над розплавленим чавуном утвориться шар шлаку — за рахунок оксидів заліза.
• Внаслідок взаємодії основних і кислотних оксидів утворюються силікати і фосфати, які переходять у шлак. Сірка теж переходить у шлак у вигляді сульфіду кальцію:
• Після розливки сталі піч знову завантажують шихтою і т. д.
• Процес переробки чавуну в сталь у мартенах відбувається відносно повільно протягом 6—7 годин.
• На відміну від конвертора в мартенах можна легко регулювати хімічний склад сталі, додаючи до чавуну залізний брухт і руду в тій чи іншій пропорції.
• Перед закінченням плавки нагрівання печі припиняють, зливають шлак, а потім додають розкисники.
• В мартенах можна одержувати і леговану сталь. Для цього в кінці плавки додають до сталі відповідні метали або сплави.

• Мартенівський спосіб виробництва сталі ліквідований у всіх розвинених країнах світу ще в 1980-1990-х роках, а в Китаї – у 2003 р. На сьогодні такий спосіб є малоефективним як з економічної, так і з екологічної точки зору.
• Зокрема, собівартість мартенівської сталі на 15% вища за собівартість електросталі та конвертерної сталі.
• При виробництві мартенівської сталі обсяг викидів шкідливих речовин в атмосферу вище на 40%, а парникових газів − у два рази більше порівняно з іншими способами виробництва сталі.
• На 2010 р. частка мартенівської сталі становить лише 3,6% світового виробництва сталі та припадає в основному на Росію (40%) і Україну (46%), тобто дві країни в сукупності виробляють практично 86% світового обсягу мартенівської сталі.
• Україна на 2010 р. є єдиною країною у світі, яка практично не реалізує стратегії заміни мартенівських печей іншими альтернативними агрегатами.
• Виробництво сталі в мартенівських печах існує на металургійних комбінатах ВАТ “Азовсталь” ВАТ «АМКР», ВАТ “Запоріжсталь” ВАТ «ММК ім. Ілліча», а також на Донецькому, Макіївському і Дніпровському металургійних заводах.

6. Електротермічний спосіб

Електротермічний  спосіб має перед  мартенівським і  особливо конверторним цілий ряд переваг.

• Цей спосіб дозволяє одержувати сталь дуже високої якості і точно регулювати її хімічний склад.
• Доступ повітря в електропіч незначний, тому значно менше утворюється монооксиду заліза FeO, що забруднює сталь і знижує її властивості.

Електродугова піч. Метал в ній не контактує з газами, і виходить чистішим, ніж, наприклад, з мартенівської печі. Багато легованих сталей виплавляються тільки в електричних печах.

• Температура в електропечі — не нижче 2000 °C. Це дозволяє проводити плавку сталі на сильно основних шлаках (які важко плавляться), при яких повніше видаляється фосфор і сірка.
• Крім того, завдяки дуже високій температурі в електропечах можна легувати сталь тугоплавкими металами — молібденом і вольфрамом.
• В дугових електропечах джерелом тепла є електродуга між електродами і металом шихти.
• Але в електропечах витрачається дуже багато електроенергії — до 800 кВт/год на 1 т сталі. Тому цей спосіб застосовують лише для одержання високоякісної спецсталі.
• Електропечі бувають різної місткості — від 0,5 до 180 т.
• Склад шихти може бути різний. Інколи вона складається на 90 % із залізного брухту і на 10 % із чавуну, інколи у ній переважає чавун з добавками у певній пропорції залізної руди і залізного брухту. До шихти додають також вапняк або вапно як флюс. Хімічні процеси при виплавці сталі в електропечах ті ж самі, що і в мартенах.

Електродугова піч  складається зі сталевого кожуха, який зсередини футерований вогнетривким матеріалом.

• У склепінні печі є отвори для трьох електродів (піч використовує трьохфазний струм).
• Електроди діаметром більше 550 мм бувають графітові або вугільні.
• Дно печі – чашоподібне.
• В стінках печі є завантажувальне вікно і випускний отвір із зливним жолобом.

7. Утворення сталевих  злитків 

• Коли плавка в них закінчується, сталь випускають у спеціально підготовлений ківш. Із дуже великих мартенівських печей сталь випускають відразу в 2 і навіть 3 ковша. Потім ковші зі сталлю направляють на розливання.
• На більшості заводів сталь розливають у виливниці - високі чавунні форми.
• Після того як метал застигає, злитки "роздягають", тобто з них знімають виливниці. Маса злитків може бути різною - від кількох кілограмів до десятків тонн.

8. Порівняльна характеристика  конверторного, мартенівського  та електротермічного  видів виробництв  сталі 

9. Переваги конверторного,  мартенівського та  електротермічного  видів виробництв  сталі 

10. Недоліки конверторного,  мартенівського та  електротермічного  видів виробництв  сталі