Тема. Производство стали

Сталь – это сплав железа с углеродом, где углерода менее2, 14 %.

Достоинства стали: прочнее и пластичнее чугуна; ее можно прокатывать, ковать, обрабатывать давлением и режущим инструментом. В расплавленном состоянии жидкотекуча для литья.

В настоящее время применяются следующие способы выплавки стали.

 

Конвертерный способ получения стали.

 

Конвертер имеет грушевидную форму и состоит из стального кожуха, выложенного огнеупорным материалом. Конвертер поворачивается вокруг горизонтальной оси на 2х цапфах. Через одну из цапф подводится из компрессора воздух. Через сопла в днище воздух поступает в конвертер. Повороты конвертера производятся мотором с помощью редуктора. Жидкий металл заливают из ковша в горловину конвертера, наклонив так. Чтобы чугун не выливался ни через горловину, ни через фурменные отверстия в днище. После этого начинают подавать дутье и приводят конвертер в вертикальное положение.

Достоинства получения стали в конвертере:

• Небольшой расход времени. Весь технологически процесс занимает 15 – 30 мин.
• Высокая производительность

Недостатки получения стали в конвертер:

• низкий выход годного металла из-за потери в шлаке и выплескивания
• Высокое содержание в стали азота
• Большое загрязнение шлаковыми включениями.

 

 

Бессемеровский процесс (изобретатель 1856 г. – Бессемер). Конвертер выложен кислым огнеупорным материалом – динасом. Данный процесс применяется в том случае, если перерабатываемый чугун содержит незначительное количество вредных примесей (серы и фосфора), которые полностью переходят в конечный продукт – сталь.

При прохождении воздуха через жидкий чугун за счет кислорода окисляется Fe, C,  Si и Mn. Выделяется большое количество тепла, образующаяся закись железа растворяется в металле и передает свой кислород примесям чугуна. Так как передача происходит в расплавленной среде, достигается хороший контакт между примесями чугуна и кислородом закиси железа.

2Feo + Si = 2Fe + SiO₂

FeO + Mn = Fe + MnO

FeO + C = Fe + CO

Реакция идет с выделением тепла в 3 этапа:

I период - окисление железа, кремния и марганца. Окисление углерода отсутствует.

Из горловины конвертера вылетают искры сгорающих капелек чугуна и происходит бурное клокотание металла. Период называется периодом искр или периодом шлакообразования. Длительность 3 – 5 мин.

II период - высокая температура ванны, горение углерода в угарном газе. Пламя белое, длинное (6-9 м), широкое. Сильное кипение ванны, в результате чего металл выплескивается из конвертера. В ванне протекает реакция восстановления железа из его закиси углерода. Явления 2-го периода быстро заканчивается, шум исчезает, пламя укорачивается и блекнет. Длительность 6 мин.

III период - период дыма. Интенсивно сгорают фосфор, оставшиеся марганец и кремний. Так как все примеси удалены, начинает сильно гореть железо. Из горловины конвертера идет бурый дым, указывающий на наличие окислов железа и марганца. Длительность меньше 1 мин.

 

       Томасовский процесс (1878г. – изобретатель Томас). Применяется для переработки фосфористых чугунов, выплавляемых из фосфористых руд (бурых железняков). Для шлакования фосфора необходим основной флюс – известь. Но в бессемеровский конвертер известь загружать нельзя, так как в нем кислая кладка – динасовая. Для переработки фосфористых чугунов применяют конвертеры с кладкой из доломита.

В конвертер загружается сперва известь в количестве 12 – 18% от веса чугуна, а затем заливается чугун при температуре 1250°С.

I период выгорают железо, марганец и кремний. Начинается шлакообразование Длительность 3 – 4 мин.

II  период – выгорает углерод. Процесс сопровождается белым пламенем.

III период – выгорает фосфор. Одновременно протекает процесс удаления серы (десульфурация).

По окончании продувки, производят раскисление стали, т.е. удаление кислорода, находящегося в виде закиси железа, что является вредной примесью.

Производство стали в мартеновских печах.

 

Мартеновское производство возникло в 1864 г, когда П.Мартен построил первую печь, выплавил годную литую сталь из твердой шихты. В России первая мартеновская печь была построена в 1869г.

В мартеновской печи выплавляют сталь заданного состава из твердого или жидкого чугуна, стального и чугунного лома с добавками железной руды, окалины, флюсов.

Мартеновский процесс сводится к физико-химическому воздействию между металлом, шлаком, газовой средой и огнеупором печи при высоких температурах.

Задачей процесса является уменьшение до заданной нормы содержания в стали углерода, марганца, кремния и более полное удаление из нее вредных примесей при наименьшем износе печи и затратах горючего.

Окисление металла протекает при взаимодействии его с кислородом, поступающим в печь с воздухом, а также с рудой и окалиной.

Для ускорения окисления применяют вдувание кислорода в расплавленный металл.

Рабочее пространство печи - это вытянутая в горизонтальном направлении камера. Стенки выложены из огнеупорного кирпича, нижняя часть – под – это ванна для жидкого металла и шлака, делается набивным. Одна из боковых стен имеет завалочное окно для загрузки проплавляемых материалов, в задней стенке - выпускное отверстие для выпуска готовой стали. Сверху рабочее пространство – свод, выложен огнеупорным кирпичом. В каждой их двух торцовых стенок устроены головки, в которые проходят по два наклонных канала для подачи в рабочее пространство газа и воздуха. Под рабочей площадкой расположены регенераторы, служащие для подогрева газа и воздуха. Между регенератором и рабочим пространством расположены шлаковики, т.е. камеры для улавливания выносимой из печи пыли и капель шлака. Переключение воздушных и газовых регенераторов производится по ходу плавки с помощью переводных клапанов.

В мартеновских печах развивается температура до 1700 °C. для увеличения температуры в самой печи, дым пропускают через регенераторы. Прежде чем отвезти их в дымовую трубу. Через завалочные окна на подину печи загружают определенное количество стального лома, твердого чугуна и флюсов.

По мере расправления шихты начинается выгорание содержащихся в металле примесей. Первым выгорает кремний, затем марганец. Когда температура расплавленного металла повышается, начинает гореть углерод. После расплавления шихты в ванне печи образуется жидкий металл и шлак, который всплывает на поверхность металла.

Шлак связывает вредные и избыточные примеси, выделяющиеся в видео окислов из металла, а также защищает металл от непосредственного воздействия пламени и воздуха, благодаря чему железо выгорает мало.

Топливо для мартеновских печей: смесь доменного и коксовального газов, природный газ.

Длительность мартеновского процесса плавки: 6-15 часов.

 

Преимущества мартеновского процесса:

• переработка чугуна различного состава;
• переплав в больших количествах металлических отходов;
• высокое качество стали;
• высокий выход годного продукта.

 

Производство стали в электрических печах

 

       Стали, которые обладают резко выраженными физическими и химическими свойствами, называются специальными (нержавеющие стали, жаропрочные и другие). Для получения таких сталей используют индукционные  и дуговые печи.

Дуговая электрическая печь состоит из цилиндрического железного кожуха, выложенного огнеупорным кирпичом и накрытого сверху съемным сводом с отверстиями для пропускания электродов.

Для выпуска металла из печи, скачивания шлака, электрическая печь снабжена механизмом наклона. С одной стороны - завалочное окно, а с другой – выпускное отверстие для металла.