Производство стали в конвертерах

Введение

 

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.

Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные.

К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева. Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве. Самым важным из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д. Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

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.

В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы.

Об этом подробнее речь пойдёт в последующих разделах данной работы.

 

 

Классификация и основные характеристики стали

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные — до 4 % легирующих элементов, среднелегированные — до 11 % легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Примеси, присутствующие в стали делят на четыре группы:

· постоянные, или обычные (марганец, кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в пределах: до 0,8% Mn; до 0,4% Si; до 0,05% Р и до 0,05% S);

 

· скрытые (азот, кислород, водород, присутствующие в любой стали, в очень малых количествах (тысячные доли процента);

· случайные (например, мышьяк, свинец, медь и др., попадающие в сталь из-за того, что они содержатся в рудах или шихтовых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали);

· специальные (легирующие элементы) (их вводят в состав стали для получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. В этом случае сталь называют легированной.

Выделяют следующие характеристики стали:

Плотность: 7700—7900 кг/м³,

Удельный вес: 75537—77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС),

Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),

Температура плавления: 1450—1520 °C,

Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг),

Коэффициент теплопроводности: 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К))

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около

20 °C:

- сталь Ст3 (марка 20): (1/град);

- сталь нержавеющая: (1/град).

Предел прочности стали при растяжении:

- сталь для конструкций: 38-42 (кГ/мм²);

- сталь кремнехромомарганцовистая: 155 (кГ/мм²);

- сталь машиностроительная (углеродистая): 32-80 (кГ/мм²);

- сталь рельсовая: 70-80 (кГ/мм²).

 

Производство стали

В качестве исходных материалов при производстве стали используются жидкий или твердый чугун, металлолом, а также раскислители, легирующие и шлакообразующие материалы. В зависимости от наличия в данном регионе или на данном заводе тех или иных шихтовых материалов (в первую очередь жидкого чугуна) сталь производят в конвертерах, мартеновских или электродуговых печах: при наличии жидкого чугуна - в конвертерах или мартеновских печах, при его отсутствии - в мартеновских или электродуговых печах.

При переделе чугуна и металлолома в сталь решается несколько основных задач: плавление и нагрев шихты до температуры, обеспечивающей проведение последующих операций (обычно 1600.. 1650 °C, рафинирование стали от вредных примесей (обычно к ним относят серу, фосфор, водород и азот), легирование и, наконец, получение из жидкой стали стального слитка или непрерывно литой заготовки. Нагрев до заданной температуры и частично рафинирование и легирование производятся в сталеплавильных агрегатах, окончательное рафинирование и легирование - в сталеразливочных ковшах после выпуска плавки из агрегата с помощью специализированных установок и разливка - в изложницы или на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

В своей основе производство стали - процесс окислительный, так как в его ходе требуется прежде всего окислить избыток углерода (содержание последнего в стали значительно ниже, чем в чугуне} и примеси.

Исключительно велика и роль шлаков в процессе производства стали. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2; P2O5; TiO2; и др.), основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Al2O3; Fe2O3; Cr2O3; и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.

Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:

1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;

2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу;

3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача тепла металлу;

4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи. Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле марганца, хрома и некоторых других элементов.

Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих — известняка, извести, плавикового шпата, боксита и др.

 

 

Производство стали в конвертерах

Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.

Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 - 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране - кислородно-конвертерного).

Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получения углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.

Сущность производства стали в конвертерах заключается в том, что при вдувании газообразного кислорода в металл происходит окисление железа, углерода, кремния и марганца.

В результате протекания этих реакций выделяется тепло, обеспечивающее не только нагрев металла, но и возможность перерабатывать до 30 % металлолома. Продукты реакции окисления железа, марганца и кремния образуют первичный шлак, который может интенсивно растворять футеровку. Для предотвращения разрушения футеровки в конвертер добавляют известь. Шлак с высоким содержанием СаО слабо взаимодействует с футеровкой. Кроме того, такой шлак обеспечивает рафинирование стали от фосфора и частично от серы.

В настоящее время при производстве стали применяется два типа конвертеров: с продувкой кислородом сверху и с комбинированной продувкой. Собственно конвертер (рис.1) представляет собой металлический сварной кожух, футерованный внутри. В качестве огнеупорного материала используется обычно смолодоломитовый кирпич. Футеровка конвертера работает в тяжелых условиях. На нее воздействуют высокие температуры и ее колебания, она испытывает механические удары кусков твердых загружаемых материалов. Особо тяжелые условия работы футеровки - в зоне шлакового пояса. Стойкость футеровки достигает 1000 и более плавок.

Можно выделить три основных периода в конвертерном производстве стали: загрузку шихтовых материалов, продувку кислородом и выпуск плавки. Загрузку конвертера обычно начинают с завалки металлолома из специальных лотков с помощью завалочной машины. Для этого конвертер загружают в наклонном положении. Затем в конвертер заливается чугун. После этого конвертер возвращают в вертикальное положение и начинают добавку шлакообразующих материалов (главным образом, извести). Одновременно в конвертер опускают кислородную фурму и начинают продувку техническим кислородом. По ходу продувки продолжают добавку шлакообразующих.

                           Рисунок 1.

Высокая интенсивность продувки кислородом обеспечивает циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Длительность продувки составляет 12-16 мин. Окончание продувки определяется по количеству введенного кислорода с учетом количества и состава шихтовых материалов.

 

Температура расплава в первые минуты продувки практически не изменяется, так как все тепло, выделяющееся в результате окислительных реакций, расходуется на плавление металлолома. После окончания его плавления наблюдается непрерывное повышение температуры расплава. После окончания продувки кислородную фурму поднимают и в металл сверху (параллельно кислородной фурме) вводят зонд для автоматического отбора пробы на экспресс-анализ и измерения температуры. Если состав металла и его температура соответствуют требованиям, приступают к выпуску плавки, если нет - производят корректировку состава. В том случае, если анализ показал повышенное (по сравнению с маркой стали) содержание углерода или недостаточную температуру, то производят додувку плавки. Если же содержание углерода ниже требуемого, в ковш вместе с выпускаемым металлом добавляют графит или молотый кокс в необходимых количествах.

Выпуск плавки производят в специальный сталеразливочный ковш через летку. В ходе выпуска стремятся полностью исключить попадания в ковш вместе с металлом конвертерного шлака. А для предотвращения быстрого охлаждения металла в ковше туда добавляют специальную теплоизолирующую смесь или синтетический шлак. Кроме того, при необходимости в ковш по ходу выпуска стали добавляют раскислители и легирующие. Конвертерный шлак сливают в шлаковую чашу.

Применение комбинированной продувки за счет более интенсивного перемешивания металла и шлака способствует улучшению рафинирования стали и увеличению выхода годного за счет устранения выбросов и снижения окисления железа в шлак.

Кислородно-конвертерный процесс является самым производительным из всех процессов производства стали. Современный конвертерный цех с двумя конвертерами (один - в работе, другой - в ремонте) обеспечивает производство до 5 млн. т стали в год.

 

Качество стали в первую очередь определяется содержанием вредных примесей, таких как фосфор и сера, поступающих вместе с чугуном; водород и азот, попадающих в металл с ломом и из атмосферы. Благоприятные условия рафинирования стали в конвертере и отсутствие в процессе производства контакта с водородом и азотом позволяют производить сталь самого высокого качества.