Технологические процессы производства стали

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ 

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.

Первый этап – 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. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками .

Второй этап – 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.

Третий этап – 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:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) 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. Частично она раскисляется в печи и в  ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

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.

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Мартеновский  процесс (1864-1865, Франция) в период до семидесятых годов XX века 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.

Температура факела пламени достигает 1800 ⁰C. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.

Продолжительность плавки составляет 3…6 часов, для крупных  печей – до 12 часов.

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. Если в процессе плавки стали, в шлаке  преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые – кислым.

Наибольшее  количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах  с основной футеровкой.

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.

В мартеновских печах в нашей стране выплавляют до 20 % всей стали. Доля мартеновского способа производства стали в последние годы сократилась за счет развития кислородно-конвертерного и электросталеплавильного производства.

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 (Австрия) –  получил название ЛД-процесс. 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.

Кислород через  водоохдлаждаемую фурму проникает  в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание  со шлаком. Под фурмой развивается  температура 2400 ⁰C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении.

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.

Кислородно-конвертерный процесс наиболее высокопроизводительным способом выплавки стали. Его другие достоинства: простота устройства конвертера, отсутствие топлива, меньшие затраты  на строительство цехов.

Производство стали в электропечах. Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей.

Различают дуговые  и индукционные электропечи.

Выплавка в  дуговых электрических печах  – главный способ производства высококачественных конструкционных, коррозионностойких и других сталей и сплавов. Более высокое по сравнению с мартеновской и конвертерной качество электростали объясняется ее более высокой чистотой по сере и фосфору и неметаллическим включениям, хорошей раскисляемостью.

Вместе с  этим электросталь стоит дороже, чем  мартеновская и конвертерная.

Применение  кислорода повышает производительность на 15-25 % и снижает расход электроэнергии на 10-15 %.

Преимуществами  индукционных печей по сравнению  с дуговыми является возможность выплавки сталей с очень низким содержанием углерода (так как нет науглероживания от электродов), очень малый угар легкоокисляющихся элементов; сталь характеризуется пониженным содержанием азота и высокой чистотой по неметаллическим включениям. Индукционные печи имеют высокую производительность и высокий -электрический к. п. д.

Недостатками  индукционных печей являются их малая  вместимость по сравнению с дуговыми печами, высокая стоимость электрооборудования, низкая стойкость основных тиглей (10-100 плавок).

ПРОИЗВОДСТВО  СТАЛИ В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ 

Электрометаллургия  стали

Плавильные  электропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными  агрегатами:

а) легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры  тока;

б) можно получать высокую температуру металла,

в) возможность  создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.

Первая дуговая  сталеплавильная печь в России была установлена в 1910 г., а в конце 1917 г. под Москвой стал работать электрометаллургический завод с несколькими электропечами.

В основе превращения  электрической энергии в тепловую могут лежать процессы теплогенерации, происходящие:

1) при прохождении  электрического тока через газ;

2) при воздействии  электрического тока на магнитное  поле и создании вихревых токов  в металле;

3) при перемагничивании  и поляризации диэлектриков;

4) при прохождении  электрического тока через твердое  (а иногда и жидкое) тело, обладающее электропроводностью;

5) за счет  кинетической энергии электронов  среды, участвующей в процессе.

Обычно в  печах передача тепла происходит двухступенчато – от теплоносителя (электрической дуги и др.) к поверхности  материала и от поверхности внутрь его. Первая ступень соответствует так называемой внешней задаче, вторая – внутренней задаче.

В условиях внешней  задачи теплопередача осуществляется главным образом в результате теплового излучения и конвекции.

В условиях внутренней задачи теплообмен происходит главным образом в результате теплопроводности (кондукции). Однако в последнем случае при нагреве жидкости преобладает конвективный теплообмен. Ниже несколько подробнее рассматриваются режимы, характерные для внешнего теплообмена.

В связи с тем, что основным способом выплавки стали является кислородно-конвертерный, потребляющий меньшее количество лома по сравнению с мартеновским, возникли предпосылки для более быстрого развития электросталеплавильного производства, работающего на твердой шихте. Вторая важная причина развития выплавки стали в электропечах – все возрастающая потребность в легированных сталях и чистом металле из металлизованных окатышей. Развитие электросталеплавильного способа производства стали будет идти параллельно с кислородно-конвертерным.

На металлургических предприятиях с большим объемом  производства низколегированной и  трансформаторной сталей в основном применяют дуговые трехфазные электропечи  вместимостью 50, 100 и 200 т. На специализированных заводах по производству высококачественной и специальной сталей применяют дуговые электропечи вместимостью 3-100 т, индукционные электропечи обычных конструкций и вакуумные.

Высококачественные  слитки (по структуре и поверхности) получают в вакуумных электропечах с расходуемым электродом и в печах электрошлакового переплава. В последнее время для получения сталей для атомной и ракетной техники применяют электронно-лучевые плазменные печи. Ферросплавы выплавляют в дуговых электропечах на специализированных заводах.

Производство стали в дуговых печах

Дуговая печь питается трёхфазным переменным током. Имеет  три цилиндрических электрода 9 из графитизированной массы, закреплённых в электрододержателях 8, к которым подводится электрический ток по кабелям 7. Между электродом и металлической шихтой 3 возникает электрическая дуга. Корпус печи имеет форму цилиндра.

Снаружи он заключён в прочный стальной кожух 4, внутри футерован основным или кислым кирпичом 1. Плавильное пространство ограничено стенками 5, подиной 12 и сводом 6.

Рис. 2.1. Схема дуговой плавильной печи

Съёмный свод 6 имеет отверстия для электродов. В стенке корпуса рабочее окно 10 (для слива шлака, загрузки ферросплавов, взятия проб), закрытое при плавке заслонкой. Готовую сталь выпускают через сливное отверстие со сливным желобом 2. Печь опирается на секторы и имеет привод 11 для наклона в сторону рабочего окна или желоба. Печь загружают при снятом своде.

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:

а) на шихте из легированных отходов (методом переплава),

б) 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 дальнейшее окисление углерода. После прекращения кипения удаляют шлак. Затем приступают к удалению серы и раскислению металла заданного химического состава. Раскисление производят осаждением и диффузионным методом. Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости вводят в печь ферросплавы для получения заданного химического состава. Затем выполняют конечное раскисление 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.

Производство  стали в индукционных печах

В индукционных тигельных плавильных печах выплавляют наиболее качественные коррозионно-стойкие, жаропрочные и другие стали и сплавы.

Вместимость от десятков килограммов до 30 тонн.

Рис. 2.2. Схема  индукционной тигельной печи

Печь состоит  из водоохлаждаемого индуктора 3, внутри которого находится тигель 4 (основные или кислые огнеупорные материалы) с металлической шихтой, через индуктор от генератора высокой частоты проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500…2000 Гц).

При пропускании  тока через индуктор в металле 1, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла. Для уменьшения потерь тепла, печь имеет съемный свод 2.

Тигель изготавливают  из кислых (кварцит) или основных (магнезитовый порошок) огнеупоров. Для выпуска  плавки печь наклоняют в сторону сливного желоба.

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 SiO₂. 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.

Специальные виды электрометаллургии

Для получения  сталей и сплавов особо высокого качества и наиболее ответственного назначения применяют плавку в вакуумных  дуговых и индукционных печах, а  также электрошлаковый и другие методы переплава.

Электрошлаковый переплав (ЭШП).

Переплавляемый (рафинируемый) металл подается в установку  в виде расходуемого электрода и  плавится в слое шлака, нагретого  до 2000 °С. Проходя через слой шлака, мелкие капли металла рафинируются. Под слоем шлака накапливается жидкий металл, постепенно заполняя весь кристаллизатор-изложницу. Затвердевший слиток опускают вместе с поддоном и устанавливают новый поддон для последующей плавки. Для переплава используют переменный ток (около 20 А на 1 мм диаметра электрода) с рабочим напряжением 45-60 В.

Переплавляемые  электроды представляют собой кованые  или катаные прутки (штанги) круглого или квадратного сечения из рафинируемой стали, обычно выплавленной в электродуговых печах

Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяют для выплавки высококачественных сталей для подшипников, жаропрочных сталей.

Схема электрошлакового переплава представлена на рис.2.

Переплаву подвергается выплавленный в дуговой печи и  прокатанный на пруток металл. Источником теплоты является шлаковая ванна, нагреваемая электрическим током. Электрический ток подводится к переплавляемому электроду 1, погруженному в шлаковую ванну 2, и к поддону 9, установленному в водоохлаждаемом кристаллизаторе 7, в котором находится затравка 8. Выделяющаяся теплота нагревает ванну 2 до температуры свыше 1700 ºC и вызывает оплавление конца электрода. Капли жидкого металла 3 проходят через шлак и образуют под шлаковым слоем металлическую ванну 4. Перенос капель металла через основной шлак способствует удалению из металла серы, неметаллических включений и газов. Металлическая ванна пополняется путём расплавления электрода, и под воздействием кристаллизатора она постепенно формируется в слиток 6. Содержание кислорода уменьшается в 1,5…2 раза, серы в 2…3 раза. Слиток отличается плотностью, однородностью, хорошим качеством поверхности, Высокими механическими и эксплуатационными свойствами. Слитки получают круглого, квадратного и прямоугольного сечения, массой до 110 тонн.

Рис. 2.3. Схема  электрошлакового переплава

Получению высококачественного  бездефектного металла во многом способствуют также чрезвычайно  благоприятные условия кристаллизации. В водоохлаждаемом кристаллизаторе  происходит довольно быстрая кристаллизации металла, направленная в основном снизу  вверх. Это приводит к получению плотного слитка с однородным строением, без усадочной пористости, зональной ликвации и других дефектов структуры, присущих обычным слиткам. Электрошлаковый переплав является значительно более простым способом по сравнению с другими способами получения высоко качественных сталей.

Плавка в  вакуумной дуговой печи

Плавка в  вакуумной дуговой печи – по существу переплав стали требуемого состава, выплавленной в открытой дуговой  или другой печи. Вакуумно-дуговой  переплав (ВДП) применяют в целях удаления из металла газов и неметаллических включений.

Процесс осуществляется в вакуумно-дуговых печах с  расходуемым электродом. Катод изготовляют  механической обработкой слитка выплавляемого  в электропечах или установках ЭШП.

Схема вакуумно-дугового переплава представлена на рис. 4.

Рис. 2.4. Схема  вакуумно-дугового переплава

Расходуемый электрод 3 закрепляют на водоохлаждаемом штоке 2 и помещают в корпус печи 1 и далее в медную водоохлаждаемую изложницу 6. Из корпуса печи откачивают воздух до остаточного давления 0,00133 кПа. При подаче напряжения между расходуемым электродом 3 (катодом) и затравкой 8 (анодом) возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода. Капли жидкого металла 4, проходя зону дугового разряда дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Охлаждение слитка и разогрев жидкого металла создают условия для направленного затвердевания слитка. Следовательно, неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, усадочная раковина мала. Слиток характеризуется высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Изготавливают детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 тонн.

Плавка в  вакуумных индукционных печах 

Такая плавка дает возможность выплавлять сталь и  сплавы с незначительным содержанием  газов и неметаллических включений  строго заданного состава. Принцип  работы таких печей такой же, что и при открытой индукционной плавке. Различие состоит в том, что печное пространство герметизируется, в нем создается вакуум примерно до 0,133 Па, значение которого уже объяснено раньше. Разливку металла в основном проводят в вакууме. Этот способ не получил широкого распространения. Индукционные вакуумные печи сложны по устройству, стоимость переплава высокая.

Электронно-лучевой  переплав (ЭЛП).

ЭЛП – плавление  металла под действием потока электронов, излучаемых высоковольтной пушкой. На облучаемой поверхности их кинетическая энергия переходит в тепловую.

В плавильном пространстве создается глубокий вакуум. На рис. 6. представлена схема электронно-лучевой  печи. Печь снабжена шестьюдесятью  электронными пушками. Излучаемые электроны  направляются на проплавляемый металл (расходуемый электрод) с помощью электромагнитов. Образующийся слиток вытягивается из кристаллизатора.

Рис. 2.5. Схема  электронно-лучевой печи:

1– механизм подачи электрода; 2 – переплавляемый электрод; 3-6 –вакуумные насосы; 7 – механизм вытягивания слитка; 8 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 9 – камера печи; 10 – слиток; 11-12 – электронные пушки и системы фокусирования пучка электронов