Технологические особенности сталеплавильного производства

Сталеплавильное производство - это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производ­ство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии.

Сталь – многокомпонентный сплав железа с углеродом (С < 2,14%), кремнием, марганцем, серой, фосфором и другими примесями. Содержание углерода 2,14% соответствует максимальной растворимости углерода в аустените, находящемся в равновесии с цементитом при эвтектической температуре.

На современном этапе основными способами производства стали являются мартеновский, кислородно-конвертерный и электросталеплавильный. По своей природе они являются окислительными, так как превращение чугуна в сталь осуществляется путем снижения углерода и других примесей в результате их окисления. Вместе с тем, это не означает, что в сталеплавильных процессах не протекают реакции восстановления. Такие элементы, как Mn, Si, Cr, P, окислившиеся в первые периоды плавки, могут при определенных условиях снова восстанавливаться и переходить в металл.

Для производства стали в сталеплавильные печи загружают шихтовые материалы, включающие две основных части, взятых в соотношениях, найденных предварительными расчетами.

Металлическая часть шихты - стальной лом, скрап, чугун, раскислители и легирующие добавки. Лом и скрап загружают в твердом виде, чугун применяют как в твердом, так и в жидком состоянии в зависимости от варианта сталеплавильного процесса. Металлическая часть шихты, кроме железа, содержит примеси (углерод, марганец, кремний, сера, фосфор и др.), количество которых регламентируют в зависимости от состава выплавляемого металла.

Неметаллическая часть шихты - флюсующие добавки (известь, известняк и т. п.), твердые окислители (железная руда, агломерат, окисленные окатыши и т.п.) и добавочные материалы (плавиковый шпат, марганцевая руда, боксит, песок, бой шамотного кирпича). Главными компонентами флюсующих добавок являются СаО в извести или СаСОз в известняке. Количество примесей регламентируют, ограничивая верхние пределы их содержаний (особенно содержания диоксида кремния, серы и фосфора). Главными компонентами твердых окислителей являются оксиды железа, содержание которых должно быть как можно более высоким; количества SiO₂, серы и фосфора также ограничивают. Добавочные материалы используют для изменения свойств шлаков или для наведения новых шлаков.

При производстве стали применяют жидкое (мазут) или газообразное (природный, коксовый и доменный газы) топливо. Основными составляющими топлива являются углерод и водород, которые находятся в виде различных соединений, а также в топливе всегда присутствуют кислород, азот, сера, влага и зола.

Кислород для сжигания топлива получают преимущественно методом глубокого охлаждения (до -200 ⁰С) и последующей ректификации (разделения) атмосферного воздуха в специальных установках.

Сталеплавильные процессы являются окислительными, в чем и заключается главное отличие от доменного. В сталеплавильных печах происходит окисление кремния, марганца, углерода и фосфора, а также в некоторой степени и железа, хотя это нежелательно. Сталеплавильные агрегаты работают периодически. После очередного выпуска расплавов осуществляют восстановление (заправку) огнеупорной футеровки, так как в местах контакта ее со шлаком в процессе плавки она частично растворяется и переходит в шлаковую фазу. После заправки загружают сыпучие материалы (флюс и твердые окислители), металлический лом (скрап) и заливают чугун (в электродуговую печь чугун загружают в твердом виде). В период плавления происходит расплавление твердой шихты и формирование жидкой ванны металла и шлака. В этот период окисляются частично железо, значительная часть фосфора, кремний, часть марганца и углерода. После расплавления осуществляют доводку металла по температуре и составу. В этот период происходит окисление избыточного углерода и перемешивание (барботаж) ванны выделяющимися пузырями монооксида углерода СО. Металл нагревается до температуры ~1650°С, его раскисляют и выпускают. Раскисление осуществляют введением в жидкий металл таких элементов (Мn, Si, Al и т.п.), которые прочно связываются с кислородом, растворенным в металле, т. е. обладают высоким сродством к кислороду. При этом образующийся оксид элемента-раскислителя не растворяется в металле, а переходит в значительной степени в шлаковую фазу.