Технологія виробництва сталі

Чавун і металобрухт – основна сировина для виробництва сталі. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 % Si, 0,6...3,5 % Mn, 0,07...1,6 % P, 0,03... 0,08 % S. Сталь одержують окислюванням надлишку C, Si, Mn, S і Р.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, у якому вміст вуглецю коливається від 0,01 до 2 %. Крім вуглецю, вона вміщує марганець, кремній, сірку і фосфор у незначних кількостях. Внаслідок цього сталі мають високу механічну міцність, порівняно легко обробляються тиском, різанням, добре зварюються і є основним конструкційним матеріалом у машинобудуванні.

Для виплавки сталі використовуються такі шихтові матеріали: чавун (рідкий або твердий), сталевий і чавунний брухт, залізна руда, металізовані окатиші, феросплави, флюси. Основу шихти складають чавун (55 %) і металобрухт (45 %). Як флюси використовуються вапняк, вапно, боксит, плавіковий шпат; окислювачами служать залізна руда, окалина, кисень, агломерат та ін. Застосовується газоподібне паливо – доменний, коксовий, природний газ; рідке – мазут, смола; тверде паливо – кам’яновугільна пилюка.

Сталь одержують у результаті окислювання і видалення більшої частини домішок чавуну – вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору, сірки за рахунок кисню, що міститься в атмосфері, в оксидах заліза і марганцю або спеціально введеного в розплавлену ванну.

Залежно від ступеня розкислення розрізняють спокійну, киплячу і напівспокійну сталі. Спокійна сталь – це сталь, цілком розкислена, вона застигає спокійно, без виділення газів. Кипляча сталь частково розкислена; при кристалізації в зливках вона вирує (“кипить”) у результаті виділення пузирчиків СО. Напівспокійна сталь за ступенем розкислення займає проміжне місце між киплячою і спокійною.

У сучасній металургії основними засобами виплавки сталі є кис­нево-конвертерний, мартенівський і електросталеплавильний.

Киснево-конвертерний засіб.Сутність його полягає в продуванні рідкого чавуну в конвертері технічно чистим киснем. Конвертер (рис. 4.2) являє собою сталеву судину грушоподібної форми місткістю 100-350 т, викладену усередині вогнетривкою цеглою. У верхній частині корпусу розташована горловина для завантаження в конвертер металевого брухту, заливання рідкого чавуну, подання інших матеріалів, опускання в конвертер кисневої фурми, а також для виходу газів під час продування. Збоку розташований ливник для зливу готового металу з конвертера в ківш. Поворот конвертера здійснюється електроприводом через систему редукторів. Конвертер може повертатися навколо гори­зонтальної осі на 360 градусів.

Перед початком процесу конвертер повертають у похиле положення, завантажують металобрухт і заливають рідкий чавун при температурі 1250-1400°С. Потім конвертер ставлять у горизонтальне положення, завантажують вапняк, опускають водоохолоджувальну фурму і подають кисень під тиском 1-1,4 МПа.

Під впливом кисневого дуття домішки чавуну окислюються, при цьому виділяється велика кількість тепла. Це сприяє розплавлюванню всіх шихтових матеріалів, підтримці металів у рідкому стані, швидкому розчиненню вапна й утворенню активного шлаку. На відміну від інших сталеплавильних процесів у кисневому конвертері виплавка сталі відбувається без підводу тепла ззовні.

Коли вміст вуглецю досягає необхідного значення (це визначається шляхом експрес-аналізу проби металу), продування припиняють, фурму витягають із конвертера. Продування зазвичай продовжується 15-20 хвилин. Виплавлену сталь зливають у ківш, повертаючи конвертер навколо горизонтальної осі.

Отриманий метал містить надлишок кисню, тому у ківш вводять розкислювачі і легуючі добавки. Шлак із конвертера зливають через горловину в шлаковий ківш, установлений на шлаковозі під конвертером. Загальна тривалість конвертерної плавки складає 35-60 хвилин. Річна продуктивність конвертера місткістю 250 тонн складає понад 1,5 млн тонн.

У кисневих конвертерах в основному виплавляють вуглецеві, низьколеговані й леговані сталі, з яких виготовляють катанку, дріт, лист, труби, рейки і широкий сортамент інших виробів.

Мартенівський процес. Сутність мартенівського процесу полягає в переробці чавуну і металобрухту у відбивній печі. На відміну від конвертерного процесу тут недостатньо тепла хімічних реакцій і фізичного тепла шихтових матеріалів. Тому в піч (рис. 4.3) підводиться додаткове тепло, одержуване при спалюванні в робочому просторі газоподібного або рідкого палива в струмені повітря, нагрітого до 1100-1200°С. Місткість мартенівських печей 600-900 тонн.

Мартенівська піч обладнана системою перехідних клапанів для зміни напрямку подачі в піч палива й повітря і відводу з печі продуктів згоряння.

Паливо і повітря надходять у робочий простір по черзі то з правого, то з лівого боку. У результаті згорання палива в робочому просторі виникає факел. Така робота печі забезпечує високі температури в робочому просторі протягом усієї плавки.

У період завантаження і плавлення шихти відбувається окислювання домішок за рахунок кисню, що міститься в пічних газах і руді, і за тими ж реакціями, що і при конвертерному способі. Вапняк переводить в шлак сірку і фосфор.

Под

Рис 4.3. Схема мартенівської печі:

1 – регенератор; 2 – головка; 3 – робочий простір;

4 – завантажувальне вікно.

Важливим моментом плавки є період “кипіння” – виділення оксиду вуглецю, що утворюється у виді пузирчиків. Метал при цьому перемішується, вирівнюється його температура і хімічний склад, виділяються гази, випливають неметалічні включення. При досягненні необхідного вмісту вуглецю в киплячому металі, що визначається шляхом експрес-аналізу проб, розпочинають останній етап плавки – доведення і розкислення металу. У піч вводять розраховану дозу феро­марганцю і феросиліцію. Після розкислення беруть контрольну пробу металу і шлаку, пробивають ливник і по жолобу випускають сталь у ківш. Тривалість плавки сталі в мартенівській печі складає 8-16 годин, піч працює безупинно. Тривалість функціонування печі залежить від стій­кості її склепіння. Для динасового склепіння вона складає 200-350 пла­вок, а для магнезиту хромового – 300-1000 плавок. Слід відзначити, що мартенівська технологія є застарілою і замінюється на більш прогресивні - кисневоконвертерний та електросталеплавильні.

Електросталеплавильний процес.Виплавка сталі в електричних печах (рис. 4.4) має ряд переваг у порівнянні з іншими сталеплавильними процесами. Основні переваги – це можливість створення високої температури в плавильному просторі печі (більш 2000°С) і виплавки сталі і сплавів будь-якого складу, використання вапняного шлаку, що сприяє доброму очищенню металу від шкідливих домішок сірки і фосфору.

Рис. 4.4. Схема дугової електричної печі:   1 – сферичне днище; 2 – випускний отвір; 3 – металева ванна; 4 – кожух; 5 – футеровка печі; 6 – склепіння печі; 7 – мідні шини; 8 – електродержателі й електроди; 9 – завантажувальне вікно; 10 – пристрій для нахилу печі; 11 – под печі.

Тепло в електропечах виділяється в результаті перетворення електричної енергії в теплову при виникненні електричної дуги або в спеціальних нагрівальних елементах. Електроплавку можна проводити в будь-якому середовищі – окислювальному, відновлювальному, нейтраль­ному й у широкому діапазоні тиску – в умовах вакууму, атмосферного або надмірного тиску.

Електросталь містить мінімальну кількість шкідливих домішок фосфору і сірки, неметалічних включень і за якістю перевершує киснево-конвертерну і мартенівську сталь. У електропечах виплавляють найбільш якісні конструкційні, високолеговані, корозійностійкі, жароміцні та інші сталі.

Дугова піч складається з металевого корпусу циліндричної форми зі сферичним днищем. Зсередини корпус печі футерований високовогнетривкими матеріалами. Склепіння печі є зйомним і має отвір для електродів, що кріпляться в електродержателях і за допомогою механізму можуть переміщатися вниз і вгору. Піч має одне або два робочих вікна і випускний отвір, встановлюється на два опорних сегменти, за допомогою яких вона може нахилятися убік робочого вікна або випускного отвору.

Для завантаження шихти в піч склепіння піднімають і разом з елек­тродами відводять убік. Шихта в плавильний простір опускається в спеціальному контейнері з дном, що відчиняється.

Електричний трифазний струм у плавильний простір підводиться від знижуючого трансформатора за допомогою трьох електродів. Дугові печі устатковують індукторами для електромагнітного перемішування рідкої ванни.

Джерелом тепла в дуговій печі є електрична дуга, що виникає між електродами і рідким матеріалом або шихтою при подачі на електроди необхідної напруги.

Плавка в електропечі починається з заправки поду і завалки ших­ти. Після завантаження печі електроди опускають до зіткнення з металом, включають напругу і починають плавку. Протягом першого періоду плавки відбувається розплавлювання твердої шихти й окислювання домішок: кремнію, марганцю, фосфору, вуглецю, частково заліза. Первинний фосфористий шлак, що утворився, видаляють із печі й завантажують вапно і руду. Через якийсь час починається “кипіння” металу, це вигорає надлишковий вуглець, видаляються розчинені гази і неметалічні включення. Тепер береться проба сталі для експрес-аналізу вмісту вуглецю і марганцю, а також проби шлаку для визначення вмісту Са і SiO₂. Потім знову видаляється шлак.

Перший період плавки завершується зниженням вмісту в сталі фосфору до 0,01-0,012 % і окислюванням домішок, проте в сталі ще залишається кисень і сірка.

Протягом другого періоду плавки здійснюється розкислення, десульфурація і рафінування сталі (остаточне доведення хімічного складу). З цією метою додають вапно, плавиковий шпат і мелений кокс. Після цього сталь розкислюють феромарганцем і феросиліцієм. Сірка переходить у шлаки. Знову беруть проби сталі і за необхідності вводять легуючі елементи. Тривалість плавки становить 2-4 години залежно від місткості печі і сорту сталі, який виплавляється. Місткість дугових печей – до 200 тонн.

Застосовуються також індукційні печі, що являють собою тигель із вогнетривкого матеріалу, оточений мідною трубчастою спіраллю (індук­тором), через яку пропускається струм високої частоти (рис. 4.5). Ємність печей – від десятків кілограмів до 30 т. Тиглі виготовляють як із кислих, так і з основних вогнетривких матеріалів. При пропусканні струму через індуктор 1 у металі 2 (шихті) виникають вихрові струми, що забезпечують нагрів і плавлення металу. Під дією електромагнітних сил метал у тиглі циркулює, що прискорює хімічні реакції і сприяє одер­жанню однорідного металу. Ці печі застосовуються для виплавки найякісніших високолегованих сталей і сплавів особливого призначення. Шихтові матеріали завантажують поверх, використовуючи відходи легованих або чистих від сірки і фосфору вуглецевих сталей, феросплавів. Наприкінці плавлення завантажують флюс. У кислих печах багато кремнію, що призводить до саморозкислення сталі, остаточно розкислюють сталь феросплавами й алюмінієм. У основному процесі розкислення проводять сумішшю з порошкоподібного вапна, коксу, алюмінію, феросиліцію та ін.

Рис. 4.5. Схема будови індуктивної електропечі:

1 – індуктор; 2 – шихта; 3 – футерування.

Електричні печі споживають багато електроенергії, тому вони використовуються, як правило, для одержання тільки високоякісної сталі.

Можливість одержання в електропечах високоякісних сталей пояснюється також відсутністю подачі повітря для горіння, що створює краще відновлююче середовище, за умов якого сталь утворюється менш окисленою.

Розлив сталі й одержання зливка. Незалежно від того, в яких печах і яким способом зварено сталь, із сталеплавильної печі її випускають у розливний ківш, із якого потім розливають у виливниці. Виливниця – чугунна посудина з товстими стінками. В ній рідка сталь поступово остигає, кристалізується й утворює зливок. Залежно від розмірів і форми виливниці утворюється і відповідний зливок: квадратного, прямокутного, круглого або іншого перетину і різноманітної ваги (частіше 6-8 т).

Одержання зливка – складний і відповідальний процес, від нього значною мірою залежить якість одержуваної сталі.

Випущену з печі сталь витримують якийсь час (10-15 хв) у ковші. За цей час із сталі виділяється частина розчинених у ній газів і на по­верхню спливають неметалічні включення (частки шлаку і футе­рування печей).

Наявність у рідкому металі розчинених газів спричиняє утворення в зливку пустот, які знижують механічні властивості сталі. Для запобігання таких небажаних явищ необхідна дегазація рідкої сталі до розливання її у виливниці. Найповніша дегазація досягається обробкою сталі у вакуумних камерах, у результаті чого значно підвищується щільність зливка і фізико-механічні властивості металу.

Заливання сталі у виливниці виконують як зверху, так і знизу, через ливник (сифонне розливання). Цей засіб застосовують для одер­жання малих зливків.

При нерівномірному охолодженні сталі у виливницях відбувається нерівномірна кристалізація металу, що знижує його якість, і усадка (внаслідок зменшення об’єму при охолодженні), що викликає утворення усадочної раковини. Для запобігання таких дефектів зливка вживаються заходи, що забезпечують його рівномірне охолодження і правильну кристалізацію.

Останнім часом широко застосовується прогресивніший спосіб розливу сталі (рис. 4.6) на машинах безупинного розливу. Тут рідкий метал із сталерозливного ковша подається в проміжний ківш, призначений для зниження і стабілізації тиску струменя і для розподілу його на декілька струмків. З проміжного ковша рідкий метал безупинно надходить у наскрізну (бездонну) виливницю – мідний кристалізатор, стінки котрого інтенсивно охолоджуються водою, що циркулює по внутрішніх каналах.

Потрапляючи в кристалізатор, метал твердіє біля стінок і на виході з кристалізатора: утворюються затравки. Після заповнення кристалізатора металом затравку витягають за допомогою валків тягової кліті, а за ним опускається й оболонка сталевої заготівки, що утворилася. При цьому рівень металу в кристалізаторі підтримується постійним.

З кристалізатора витягається зливок із незатверділою серцевиною; він надходить у зону повторного охолодження, де на його поверхню з усіх боків із форсунок подається розсіювана вода. У результаті інтенсив­ного охолодження при безупинному русі заготівки відбувається повна кристалізація маси зливка, який потім пропускають через валки тягової кліті, відокремлюють затравку і розрізають його на заготівки визначеної довжини.

Машини безупинного розливу сталі бувають трьох типів: вертикаль­ні, радіальні й криволінійні. Розлив на цих машинах має ряд переваг: відсутність численних виливниць й іншого громіздкого устаткування, повна механізація й автоматизація процесу розливу, висока якість одер­жуваних заготівок, великий вихід придатного металу. Крім того, такі зливки не потрібно прокочувати на великих тискувальних станах (блюмінгах і слябінгах), значно поліпшуються умови праці.

Рис. 4.6. Принципова технологічна схема установки безперервного розливу сталі:   1 – ковш; 2 – проміжний пристрій; 3 – кристалізатор; 4 – валки; 5 – зона розрізання.

Пряме відновлення заліза з руд. Велика увага приділяється розробці процесів прямого відновлення заліза з руд. Виключення з виробництва сталі проміжного процесу – одержання чавуну – економічно вигідне. Але це важка задача, і, хоча випробувано більш 70 різноманітних способів, лише мала кількість із них знайшла промислове застосування.

Найбільше поширення одержало виробництво губчатого заліза. Це пористий напівпродукт (95 % заліза, 5 % оксидів заліза, 0,01...0,016 % S і ~0,01 % Р, домішків породи та ін.), що переплавляється в сталеплавильних агрегатах на сталь. Існують печах, у киплячому прошарку, в обертових трубчастих печах. Вихідний продукт – металізована шихта, чиста від сірки і фосфору, що містить 71...72 % Fе. Відновлення шихти в невеличких по висоті шахтних печах (ретортних) відбувається в суміші газів СО+Н₂, іноді СО+Н₂+N₂.

Як і в доменних печах, процес заснований на принципі протитечії: залізорудні матеріали завантажуються зверху, а відновлювальні гази, нагріті приблизно до 1200°С, надходять знизу. До відновлюваль­ного газу додають природний, що забезпечує насичення вуглецем окатишів. Добре відрегульоване стабільне опускання шихти і рівномірний розподіл газу по перетину печі забезпечують у 2...5 разів більшу продуктивність процесу в порівнянні з доменною плавкою. У зоні відновлення температура дорівнює 850...900°С.

Металізація окатишів в обертових трубчастих печах здійснюється твердим відновником (вдувається вугільна пилюка).

Обертання розташованої під деяким кутом до горизонталі печі дозволяє інтенсифікувати процес відновлення заліза. Металізовані окатиші переробляють у сталь в електропечах.

Переваги “прямого відновлення” заліза порівняно з доменним:

· виключається дороге і надзвичайно шкідливе виробництво коксу, майже відсутні характерні для коксового і доменного виробництва шкідливі викиди сірки, азоту, канцерогенних органічних сполук, пилюки і шлаку;

· зникає потреба в енергомістких і шкідливих агломераційних і конвертерних цехах;

· транспортування сировини здійснюється гідротранспортом і конвеєрами, що значно зменшує забруднення навколишнього середовища пилюкою в порівнянні з традиційними видами транспорту з перевантаженням матеріалів.

Крім зазначених переваг, є четверта – перспективність удосконалення процесу відновлення.

При поліпшенні енергетичної ситуації в Україні економічно доціль­не одержання відновника (Н₂) електролізом із води. У процесі відновлення водень, відбираючи кисень в оксиду, зв’язується у воду, яка знову вводиться в цикл (на електроліз). Тобто формується дійсно екологічно чисте, практично безвідхідне виробництво.

Важливим фактором такого процесу є зменшення витрати води і забруднення рік і водоймищ. Цей приклад є орієнтиром техніко-екологічного прогресу застарілих (за науковою ідеєю ) технологій.