Сталь - это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы - примесями, растворенными в железе. Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические (межзеренные) связи. В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05 - 0,50 %, но может достигать ? 1 % (теоретически до 2,14 %). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 - 0,6 %) и кремний (0,15 - 0,3 %). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента.

Металлургия стали как производство возникла примерно 3,5 тыс. лет назад в районе Суэцкого залива (Сирия, Египет). Путь развития черной металлургии можно разделить на несколько этапов.

По применяемому основному сырью или технологической схеме сталеплавильное производство имеет два основных этапа развития: 1) прямое получение стали из железных руд так называемым сыродутным процессом, т.е. одноступенчатое производство по схеме железная руда - сталь; 2) получение стали путем рафинирования чугуна, т.е. двухступенчатое производство по схеме железная руда - чугун - сталь.

Развитие производства стали путем рафинирования чугуна, обеспечивающее наибольший технический прогресс, в свою очередь имеет три важных этапа развития, на каждом из которых, как правило, использовалось несколько способов получения стали.

Первый этап - передел чугуна в сталь, получаемую в тестообразном состоянии в виде крицы (сварочного железа). Он начался с применением кричного процесса, на смену которому пришел пудлинговый процесс (1784 г., Англия).

Второй этап - передел чугуна в жидкую сталь без добавки или с добавкой лома (скрапа) в агрегатах периодического действия без применения кислородного дутья. Начало этого этапа связано с созданием бессемеровского процесса (1855 - 1860 гг., Англия). Дальнейшее его развитие привело к разработке мартеновского (1864 - 1865 гг., Франция), томасовского (1877 - 1879 гг., Англия) и электродугового (1900 г., Франция) процессов. Переход к получению стали в жидком состоянии позволил совершить скачок в интенсификации производства - в повышении производительности агрегатов и улучшении качества стали.

Третий этап - передел чугуна в жидкую сталь в агрегатах периодического действия с применением кислородного дутья. Это современный этап развития сталеплавильного производства, имеющий следующие особенности: внедрение в широкое использование кислородно-конвертерного процесса (1952 1953 гг., Австрия); применение кислорода для интенсификации мартеновского и электродугового процессов; широкое использование в целях повышения качества стали способов внеагрегатной (ковшовой) обработки жидкой стали - синтетическими шлаками или шлаковыми смесями, вакуумом, инертными газами в сочетании с микролегирующими порошками или без них, а также способов переплава стали в особых условиях (электрошлакового, вакуумно-дугового, электронно-лучевого, плазменно-дугового).

1 КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ

Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

Классификация стали и требования к ее составу и качеству обусловлены соответствующими государственными стандартами и техническими условиями.

По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами.

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

а) конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и легированными. Легированная сталь несколько дороже углеродистой, но так как она обладает значительно лучшими механическими свойствами, то расход ее на изготовление тех или иных конструкций значительно ниже, чем углеродистой;

б) топочная и котельная сталь - низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению;

в) сталь для железнодорожного транспорта - рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь, к ней предъявляются высокие требования при механических испытаниях, например на усталость, при проверке сплошности структуры металла;

г) подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1% С и 1,5% Cr, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений;

д) инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она содержит обычно значительное количество углерода, а также в ряде марок - значительное количество легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других.

Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорнопружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и другие.

По качеству стали делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений.

По химическому составу различают стали: углеродистые, низколегированные, легированные.

По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Поведение металла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизируется слиток.

Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризирует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количествах и другие параметры.

2 СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ШЛАКИ

Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его примесей, а также процессами разъедания футеровки сталеплавильных агрегатов. В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имеется большее или меньшее количество загрязнений. Кроме того, при введении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и добавочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

Основные источники образования шлака следующие:

а) продукты окисления примесей чугуна и лома - кремния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов;

б) продукты разрушения футеровки агрегата - при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgO, при разъедании кислой - SiO2;

в) загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.);

г) ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, - оксиды железа;

д) добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.).

в каждом конкретном случае степень влияния перечисленных загрязнений на состав шлаков различна. Вводя после соответствующего расчета то или иное количество определенных добавок, добиваются получения шлака нужного состава. При необходимости проводят операции обновления (скачивания) шлака, когда определенное количество шлака удаляют из агрегата, а затем вводя нужное количество тех или иных добавок, «наводят» новый шлак необходимого состава.

3 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СТАЛИ

Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали соединения металлов с неметаллами. Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения ухудшают не только механические (прочность, пластичность) и другие свойства стали (магнитную проницаемость, электропроводность и др.), так как нарушают сплошность металла и образуют полости, в которых концентрируются напряжения в металле. Неметаллические включения принято разделять на две группы:

а) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные включения);

б) включения, механически попадающие в сталь (экзогенные включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки, кристаллизации слитка или отливки. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, но какая-то часть остается.

4 РАСКИСЛЕНИЕ И ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ

4.1 Раскисление стали

Технологическую операцию, при которой растворенный в металле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют раскислением. После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то встали при ее постепенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют «кипящей».

В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное «кипение» металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют «полуспокойной».

Строение слитка кипящей и полуспокойной стали отличается от строения слитка спокойной стали.

Применяют следующие способы раскисления стали:

а) глубинное;

б) диффузионное;

в) обработкой синтетическими шлаками;

г) обработкой вакуумом.

4.2 Легирование стали

Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся специальные примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.

Сточки зрения влияния на свойства стали легирующие элементы делят на две большие группы:

а) 1-я - легирующие элементы, расширяющие г-область твердых растворов. В эту группу входят как элементы обладающие неограниченной растворимостью в железе (никель, марганец, кобальт), так и элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область непрерывного ряда твердых растворов ограничивается гетерогенной вследствие появления новых фаз (углерода, азота, меди);

б) 2-я - легирующие элементы, суживающие г-область. Сюда входят как элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой г-областью (бериллий, алюминий, кремний, фосфор, титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам), так и элементы, образующие сплавы с суженной г-областью (ниобий, тантал, цирконий, церий).

В зависимости от степени сродства к кислороду легирующие элементы также делят на две большие группы:

а) 1-я - легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (никель, кобальт, молибден, медь);

б) 2-я - легирующие элементы, сродство к кислороду у которых больше, чем у железа (кремний, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан).

Кроме легирующих этих двух основных групп применяют легирующие, введение которых в металл связано с возможной опасностью для здоровья, так как пары этих металлов или их соединений вредны (сера, свинец, селен, теллур).

Во всех случаях для удешевления стали стремятся использовать максимальное количество дешевых отходов (шлак, руду), содержащих нужный элемент.

5 ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Материалы, используемые для выплавки стали, принято делить на металлосодержащие (металлошихта, металлодобавки), добавочные (флюсы) и окислители. В качестве металлошихты используют: а) чугун (жидкий или твердый); б) стальной (в некоторых случаях чугунный) лом; в) продукты прямого восстановления железа из железной руды; г) ферросплавы.

Основную часть металлошихты составляют чугун и стальной лом. Также используется продукт прямого восстановления железной руды - металлизированные окатыши (93 - 98 % Fe). Самая дешевая часть металлошихты - стальной лом.

В тех случаях, когда в состав завода входят сталеплавильные цехи и доменный цех, чугун в сталеплавильный цех поступает в жидком виде. Использование в качестве шихты жидкого чугуна позволяет получать заметную экономию в расходе топлива и сокращает продолжительность плавки.

В зависимости от технологических или экономических требований сталеплавильщики используют чугун той или иной марки. В отдельных случаях для улучшения состава чугуна применяют методы внедоменной его обработки (для удаления излишних серы, кремния, фосфора).

Если в составе завода нет доменного цеха, то в качестве шихты используют твердый чугун, который поступает в чушках. В отдельных случаях для ускорения плавки и повышения производительности сталеплавильных агрегатов чушковой чугун предварительно расплавляют в «металлургических» вагранках или других плавильных агрегатах.

Второй главной составной частью металлошихты является лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется значительное количество железосодержащего лома. Сбор этого лома и его обработка с целью рационального использования представляет важную народохозяйственную задачу. Для ее решения существует специальная отрасль - ломоперерабатывающая промышленность, оснащенная сложным оборудованием. Из общего количества образующегося лома около 35 % образуется непосредственно на металлургических заводах (обрезь металла при прокатке, бракованные слитки, скрап и т.д.), обычно это тяжеловесный лом, химический состав которого известен. Этот лом в основной своей массе используют в качестве металлошихты на тех же заводах, где он образуется.

Около 20 % лома образуется при металлообработке на машиностроительных заводах и им подобных заводах (стружка, отходы при штамповке и т.д.); 45 - 50 % составляет амортизационный лом (отслужившие свой срок машины, рельсы и т.п.), а также металл, извлекаемый при разборке шлаковых отвалов.

В связи с многообразием источников образования этого лома состав его далеко не всегда известен. Иногда он загрязнен содержащими серу смазочными маслами, цветными металлами, содержащимися в различных деталях сдаваемых в лом машин.

Некоторые из этих примесей вредны для обслуживающего персонала, и для агрегатов, и для качества стали.

Приходится учитывать также, что в ряде случаев загружаемый в сталеплавильные агрегаты лом покрыт значительным слоем ржавчины, что влияет как на величину угара металла при плавке, так и на технологию плавки.

Особенную ценность представляют лом и отходы стали легированных марок. Такие примеси, как никель, молибден, кобальт, медь, в процессе плавки не окисляются. Поэтому их количество, попадающее с ломом в агрегат, остается в готовой стали. Поскольку стоимость всех этих примесей очень высока, использование легированного лома для выплавки легированных марок стали экономически очень эффективно. Поэтому все отходы стали легированных марок хранят отдельно и за их использованием на заводах установлен строгий контроль.

В качестве добавочных материалов (флюсов) в сталеплавильном производстве обычно используют: а) известняк; б) известь; в) боксит и др.

В качестве окислителей применяют кислород, сжатый воздух, железную руду, окалину, агломерат, железорудные брикеты.

6 КОНВЕРТЕРНОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

6.1 Конвертерные процессы с донным воздушным дутьем

Первым способом массового производства жидкой стали был бессемеровский процесс, предложенный и разработанный англичанином Г.Бессемером в 1856 - 1860 гг.; несколько позже - в 1878 г. - С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой.

Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье заключается в том, что залитый в плавильный агрегат (конвертер) чугун продувают снизу воздухом; кислород воздуха окисляет примеси чугуна, в результате чего он превращается в сталь; при томасовском процессе, кроме того, в основной шлак удаляются фосфор и сера. Тепло, выделяющееся при окислении, обеспечивает нагрев стали до температуры выпуска (~ 1600оС).

6.1.1 Плавка в бессемеровском конвертере

В конвертер заливают бессемеровский чугун (0,7 - 1,25 % Si; 0,5 - 0,8 % Mn; 3,8 -4,4 % C; <0,065 P; <0,06% S) при температуре 1250 - 1300 оС и продувают его воздухом в течение 10 -15 мин. За время продувки окисляется углерод, кремний и марганец чугуна и из образующихся окислов формируется кислый шлак. После того, как углерод окислится до заданного содержания, продувку заканчивают, металл через горловину конвертера сливают в ковш, одновременно раскисляя его путем добавки в ковш раскислителей.

Общая длительность плавки составляет 20 -30 мин; поскольку шлак кислый, при плавке не удаляется сера и фосфор.

6.1.2 Плавка в томасовском конвертере

В конвертер для образования основного шлака загружают известь (12 - 18 % от массы металла), заливают томасовский чугун (0,2 - 0,6 % Si; 0,8 - 1,3 % Mn; 2,8 - 3,3 % C; 1,6 - 2,0 % P; <0,08 % S) имеющий температуру 1180 - 1250 оС, и ведут продувку воздухом в течение 16 - 22 мин. За это время окисляется углерод, кремний и марганец; из продуктов окисления составляющих чугуна и СаО извести формируется основной шлак и в конце продувки в этот шлак частично удаляются фосфор и сера.

Продувку заканчивают, когда содержание фосфора в металле снизится до 0,05 - 0,07 %, после чего металл выпускают в ковш, куда вводят раскислители.

Общая длительность плавки составляет 25 -40 мин.

6.2 Кислородно-конвертерные процессы

Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и добавления лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму; за рубежом его называют процессом ЛД.

В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс был впервые осуществлен в 1952 -1953 гг. в Австрии на заводах в г. Линце и Донавице. За короткий срок кислородно-конвертерный процесс получил широкое распространение во всех странах.

Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он, как и прочие конвертерные процессы, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами. Основные:

а) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата;

б) более низкие капитальные затраты, т.е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;

в) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;

г) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки;

д) благодаря четкому ритму выпуска плавок работа конвертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.

Благодаря продувке чистым кислородом сталь содержит 0,002 - 0,005 % азота, т.е. не больше, чем мартеновская. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна, с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет перерабатывать в конвертере значительное количество лома, что обеспечивает снижение стоимости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.

7 МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сущность мартеновского процесса заключается в ведении плавки на поду пламенной отражательной печи, оборудованной регенераторами для предварительного подогрева воздуха (иногда и газа). Идея получения литой стали на поду отражательной печи высказывалась многими учеными, но осуществить это долгое время не удавалось, так как температура факела обычного в то время топлива - генераторного газа - была недостаточной для нагрева металла выше 1500 оС (т.е. недостаточна для получения жидкой стали). В 1856 г. Братья Сименс предложили использовать для подогрева воздуха тепло горячих отходящих газов, устанавливая для этого регенераторы. Принцип регенерации тепла был использован Пьером Мартеном для плавки стали. Началом существования мартеновского процесса можно считать 8 апреля 1864 г., когда П.Мартен на одном из заводов Франции выпустил первую плавку.

В мартеновскую печь загружают шихту (чугун, скрап, металлический лом и др.), которая под действием тепла от факела сжигаемого топлива постепенно плавится. После расплавления в ванну вводят различные добавки для получения металла заданного состава и температуры; затем готовый металл выпускают в ковши и разливают. Благодаря своим качествам и невысокой стоимости мартеновская сталь нашла широкое применение. Уже в начале ХХ в. в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали.

7.1 Разновидности мартеновского процесса

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун скрап любого состава и в любой пропорции.

В зависимости от состава шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей:

а) скрап-процесс - процесс, при котором основной составной частью шихты является стальной скрап. Скрап-процесс обычно применяют в цехах металлургических и машиностроительных заводов, в составе которых нет доменных печей и которые расположены в крупных промышленных центрах, где много металлолома. Кроме скрапа, в шихту загружают некоторое количество (25 - 45 %) чугуна.

б) скрап-рудный процесс - передел в мартеновских печах шихты, твердая составляющая которой - скрап и железная руда. Основная масса шихты (55 - 75 %) - жидкий чугун. Когда металлическая шихта на 100% состоит из жидкого чугуна (скрапа нет), а в печь в твердом виде заливают только железную руду, процесс называют рудным.

В зависимости от состава шлака и материала пода мартеновский процесс может быть «основным» и «кислым».

7.1.1 Основной мартеновский процесс

Ход плавки при скрап-процессе. В мартеновской печи при скрап-процессе чугун обычно поступает в цех в твердом состоянии в «чушках». В большинстве случаев завалку производят следующим образом: вначале заливают железный скрап, затем чугун. Капельки чугуна, расплавляющегося под воздействием факела, стекая вниз передают тепло нижним слоям шихты и науглероживают скрап, снижая тем самым температуру его плавления. В конце концов наступает момент, когда вся металлическая шихта расплавляется и начинается энергичное окисление находящегося в металле углерода: начинается период доводки и кипения. К этому моменту ванна оказывается покрытой шлаком.

Для удаления фосфора и серы основность шлака должна быть достаточно высокой, для этого в шихту основной мартеновской плавки вводят известняк или известь.

Во время завалки и плавления окисляются часть углерода шихты, весь кремний и значительная часть марганца и некоторое количество железа. Оксиды железа, кремния и марганца вместе со всплывшей известью образуют основной шлак. Общее количество шлака после расплавления составляет 8 - 10 % от массы металла. В таком основном шлаке к моменту расплавления находится и некоторое количество фосфора и серы, удаленных из металла за время плавления шихты. Продолжительность периодов завалки и плавления 5 - 6 ч.

Ход плавки при скрап-рудном процессе. Если в состав завода входят доменный, мартеновский и прокатные цехи, то чугун поступает в мартеновский цех в жидком состоянии.

Содержание углерода в металле при скрап-рудном процессе регулируют не увеличением или уменьшением расхода чугуна (как при скрап-процессе), а введением в завалку большего или меньшего количества железной руды.

Чтобы получить по расплавлении шлак нужной основности, в состав шихты при скрап-рудном процессе, так же как и при скрап-процессе, вводят известняк.

На под с помощью завалочных машин заваливают железную руду и известняк, после некоторого подогрева подают скрап. После того как скрап нагрелся, в печь заваливают чугун. Жидкий чугун проходит через слой скрапа и взаимодействует с железной рудой. Начинается интенсивное шлакообразование. Примеси чугуна энергично реагируют с окислами железной руды.

Шлак образуется в очень большом количестве. Образующийся в результате окисления углерода оксид углерода вспенивает шлак и он начинает вытекать, «сбегать» из печи. Его называют «сбегающим» первичным шлаком. Он составляет 8 - 10 % от массы металла.

За период плавления полностью окисляется кремний, почти полностью марганец и большая часть углерода.

Для ускорения процесса плавления и окисления примесей вскоре после окончания заливки чугуна ванну начинают продувать кислородом. Поскольку при продувке значительная часть примесей окисляется за счет вдуваемого кислорода, расход железной руды в завалку резко сокращают. При окислении железа и примесей за счет подаваемого газообразного кислорода выделяется значительное количество тепла, металл энергично перемешивается, в то же время часть примесей окисляется за счет горячего кислорода, содержащегося в воздухе, поступающем из регенераторов. Продолжительность плавления при таком методе работы сокращается в 2 - 3 раза, соответственно уменьшается расход топлива.

Состав шлака, сформировавшегося к моменту расплавления и после него, оказывается почти таким же, как при скрап-процессе. Несмотря на то, что при скрап-рудном процессе в печь загружают больше чугуна, а вместе с ним и больше кремния, марганца, фосфора и других элементов; объясняется это тем, что значительное количество образующихся оксидов уходит из печи со сбегающим первичным шлаком еще до полного расплавления металла.

Проведение периода кипения (доводки). Поскольку составы металла и шлака после расплавления при скрап- и скрап-рудном процессах практически не различаются, период доводки протекает в обоих случаях также одинаково. Обычно после расплавления ванны в печь подают некоторое количество железной руды или продувают ванну кислородом или сжатым воздухом. Продолжительность периода доводки 1 - 3ч.

7.1.2 Кислый мартеновский процесс

Кислым мартеновским процессом называют процесс выплавки стали в мартеновской печи, подина которой изготовлена из кислых огнеупорных материалов (~95 % SiO2). В первых мартеновских печах подина была кислой, ее изготавливали из кварцевого песка. Мартеновский процесс существовал как кислый процесс вплоть до 1878 г., когда успехи применения основной футеровки в томасовском конвертере определили дальнейшее развитие мартеновского производства и начал развиваться основной процесс.

Требования к сырым материалам и топливу. Для перевода фосфора и серы из металла в шлак необходимо, чтобы в печи был основной шлак, поэтому в кислой печи с кислым шлаком ни серу, ни фосфор удалить из металла невозможно. В связи с этим к шихте и топливу предъявляют особые требования: топливо не должно содержать серы, а чугун должен содержать не более 0,025 % фосфора и серы. Вследствие высоких требований к чистоте шихты привозной стальной лом и скрап практически не используют, а в качестве основной железосодержащей составляющей шихты обычно используют заготовку, специально выплавляемую в основных мартеновских печах. Выплавленный при этом металл называют шихтовой заготовкой или полупродуктом (если металл заливают в жидком виде). Процесс, при котором жидкий полупродукт выпускают из основной печи в ковш и затем через отверстие в днище ковша при помощи специального желоба переливают в кислую печь, называют дуплекс-процессом.

Под кислой печи. Под печи наваривают чистым высококремнистым песком, молотым кварцитом или кварцитом с примесью конечного кислого шлака. Под кислой печи принимает активное участие в протекающих в ванне процессах, и высокое качество кислой стали определяется реакциями материала кислого пода с металлической ванной, поэтому состоянию пода уделяют особое внимание. Общая продолжительность заправки кислой печи значительно больше, чем основной, и занимает в зависимости от состояния пода 1,5 - 2,5 часа.

Ход плавки при кислом процессе. Так же, как в основном мартеновском скрап-процессе, соотношение между загружаемыми в печь чугуном и скрапом зависит от заданного содержания углерода в металле, при котором обеспечивалось бы проведение периода кипения. В отличие от основного мартеновского процесса, при котором в печь заваливают значительное количество известняка или извести, а при скрап-рудном - также железную руду, в кислом процессе источников для образования шлака меньше. Металл может оказаться покрытым недостаточным слоем шлака, в результате он интенсивно окисляется и насыщается газами. Для предотвращения этого на подину до завалки шихты загружают конечный кислый шлак (от предыдущих плавок), шамотный бой и кварцевый песок.

При работе дуплекс-процессом для ускорения начала кипения ванны в печь вводят некоторое количество железной руды. В шлак переходит некоторое количество футеровки пода. Образующиеся во время плавления основные оксиды железа и марганца вступают во взаимодействие с кремнеземом, образовавшимся в результате окисления кремния шихты. В результате получаются сравнительно легкоплавкие силикаты железа и марганца.

В кислой печи непрерывно идут два процесса:

а) окисление кремния кислородом оксидов железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается;

б) восстановление кремния из шлака и пода, в результате чего содержание кремния в металле повышается. Содержание кремния в ванне определяется соотношением скоростей этих процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость его окисления в большей степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно введением железной или марганцевой руд, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны воздухом или кислородом.

Если после расплавления в печь не вводят никаких добавок, то по мере повышения температуры металла шлак постепенно насыщается кремнеземом, становится все более вязким, скорость перехода кислорода из атмосферы печи через шлак в металл уменьшается. В результате через некоторое время после расплавления скорость восстановления кремния оказывается выше скорости его окисления и концентрация кремния в металле растет. Такой метод ведения плавки называют пассивным, а процесс - кремневосстановительным. Если походу плавки вводят руду, известь или известняк, в результате чего повышается жидкоподвижность шлака, растет его окислительная способность и металл интенсивно кипит, то содержание кремния выше определенных пределов не возрастает. Такой метод ведения плавки называют активным, а процесс - с ограничением восстановления кремния. При активном процессе после расплавления и при достаточно высокой температуре металла в печь присаживают небольшими порциями железную руду. Начинается интенсивное кипение. За 30 - 40 минут до раскисления подачу в печь добавок прекращают, однако к этому моменту уже сформировался шлак такого состава, который способствует продолжению кипения металла.

Кремневосстановительный процесс начинается так же, как и активный, присадкой руды и кипением ванны. После того как металл нагрелся, а шлак начал заметно густеть, обогащаясь кремнеземом, ход кремневосстановительного процесса отличается от хода активного процесса. Руду или известь больше не присаживают, окислительную роль факела сводят к минимуму, в металле заметно возрастает содержание кремния, кипение металла практически прекращается. Этот период «мертвого» состояния ванны, когда кипение практически прекратилось и происходит постепенное восстановление кремния, называют периодом стабилизации. Продолжительность этого периода составляет 1 - 2 ч. Промежуточное положение между активным и пассивным методами ведения плавки занимает полуактивный метод.

8 ВЫПЛАВКА СТАЛИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

В настоящее время для массовой выплавки стали применяют дуговые электропечи, питаемые переменным током, индукционные печи и получающие распространение в последние годы дуговые печи постоянного тока.

В дуговых печах переменного тока в течение многих десятилетий выплавляли основную часть высококачественных легированных и высоколегированных сталей, которые было затруднительно либо невозможно выплавлять в конвертерах и мартеновских печах.

В последние годы сооружают высокомощные печи с водоохлаждаемыми сводом и стенками. Технология плавки в таких печах включает расплавление и короткий окислительный период, в течение которых происходит окисление углерода до заданного содержания, дефосфорация и нагрев металла, а затем металл выпускают в ковш, где методами внепечной обработки ведут процессы рафинирования, раскисления и легирования, обеспечивая получение стали заданных состава и свойств.

Доля электростали в общей выплавке стали в мире непрерывно растет.

8.1 Электрический режим

Электрическая дуга является основным источником тепла в дуговой сталеплавильной печи. Электрическая дуга - это поток электронов и ионов между анодом и катодом. При приложении к ним напряжения достаточной величины происходит эмиссия электронов в катода которые, соударяясь с молекулами газа в межэлектродном пространстве, вызывают их ионизацию; при этом положительно заряженные частицы движутся к катоду, а электроны к аноду, создавая дугу. Движущиеся к аноду электроны бомбардируют его, в результате чего кинетическая энергия электронов превращается в тепловую и световую, аналогичный процесс идет на катоде; температура бомбардируемого пятна анода составляет 3600 - 4000 оС, катода 3200 - 3600 оС, а температура столба дуги достигает 6000 оС.

В дуговой сталеплавильной печи дуга горит между электродами и металлом (жидкая ванна, нерасплавившаяся шихта) и представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Поскольку дуговые печи питаются переменным током, в течение каждого полупериода меняются катод и анод, а напряжение и сила тока дуги достигают максимума и проходят через ноль. Эмиссия электронов с катода существенно облегчается при повышении температуры катода, поэтому в дуговой печи после расплавления шихты дуга горит более устойчиво, чем в начале плавки при холодной шихте. Длина дуги на больших высокомощных печах может достигать 150 - 200 мм, сила тока 60 - 100 кА.

8.2 Выплавка стали в основных дуговых электропечах

Технология плавки с окислительным и восстановительным периодами или традиционная технология применяются в течение десятилетий на печах вместимостью ? 40 т для выплавки высококачественных легированных сталей. Эту технологию называют также двухшлаковой, а процесс плавки - двухшлаковым, поскольку по ходу плавки вначале (периоды плавления и окислительный) в печи наводят окислительный шлак, то есть содержащий много оксидов железа, а затем его сливают и в восстановительном периоде наводят новый (второй) шлак, не содержащий оксидов железа. До недавнего времени (до широкого внедрения процессов внепечной обработки) плавка в электродуговых печах по этой технологии была единственным способом получения легированных высококачественных сталей и такие стали назывались сталями “электропечного сортамента”. Высокое качество металла обеспечивалось за счет того, что в окислительном периоде создавались условия для удаления до очень низких содержаний фосфора и для дегазации металла (удаления растворенных водорода и азота за счет кипения ванны), а в восстановительном периоде - условия для получения низких содержаний кислорода и серы и соответственно оксидных и сульфидных неметаллических включений, а также для ввода в металл легирующих добавок без их значительного угара.

Плавка состоит из периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный период; 5) восстановительный период; 6) выпуск стали.

8.3 Выплавка стали в кислых дуговых электропечах

Электрические печи с кислой футеровкой обычно используют в литейных цехах при выплавке стали для фасонного литья. Емкость их колеблется от 0,5 до 6-10 т.

Широкое распространение кислых электропечей в литейных цехах связано с тем, что кислая футеровка более термостойка, чем основная, что позволяет эксплуатировать печь с перерывами, требуемыми по условиям работы многих литейных цехов (работа в одну или две смены).

Преимуществом кислых печей по сравнению с основными является более высокая стойкость футеровки; наряду с этим стоимость кислых огнеупоров примерно в 2,5 раза ниже стоимости основных. Поскольку при плавке стали для фасонного литья восстановительный период обычно отсутствует, длительность плавки в кислой печи меньше, чем в основной печи той же емкости; по этой причине, а также в связи с меньшей теплопроводностью кислой футеровки, более низким является и расход электроэнергии.

Основным недостатком кислых печей является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор.

8.4 Выплавка стали в индукционных печах

В индукционной бессердечниковой печи металл расплавляют в тигле, расположенном внутри индуктора, который представляет собой спираль с несколькими витками из токопроводящего материала. Через индуктор пропускают переменный ток; создаваемый при этом внутри индуктора переменный магнитный поток наводит в металле вихревые токи, которые обеспечивают его нагрев и плавление.

Важная особенность индукционных печей - интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору и, с другой, вихревыми токами в металле. Положительная сторона этого явления в том, что благодаря перемешиванию ускоряются плавление и выравнивание состава и температуры металла, отрицательная - в том, что поверхность металла получается выпуклой и может оголяться, так как шлак стекает к стенкам тигля. Еще одной особенностью индукционных печей является то, что плотность индуктируемых токов достигаем максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к оси тигля (“поверхностный эффект”). В этом поверхностном слое выделяется наибольшее количество тепла, за счет которого плавится шихта. Толщина слоя металла с большей плотностью индуктируемых токов обратно пропорциональна корню квадратному из частоты.

Индукционные печи делят на два типа: а) питаемые током повышенной частоты; б) питаемые током промышленной частоты (50 Гц). В печах первого типа частота питающего тока обычно снижается по мере роста емкости и диаметра тигля; малые (несколько килограмм и менее) печи питаются током с частотой от 50 до 1000 кГц, средние и крупные (емкостью до десяти тонн) токами с частотой 0,5-10 кГц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достоинствами бессемеровского и томасовского процессов являются: высокая производительность, простота устройства конвертера, отсутствие необходимости применять топливо, малый расход огнеупоров и связанные с этим более низкие, чем при мартеновском и электросталеплавильном процессах, капитальные затраты и расходы по переделу. Однако обоим процессам был присущ большой недостаток - повышенное содержание азота в стали, вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская стали обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению.

В период с 1955 по 1975 г. бессемеровский и томасовские процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.

По сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

Эффективность работы мартеновских печей определяют, сравнивая их производительности и себестоимости выплавляемой стали.

Несмотря на высокие качества кислой мартеновской стали, область ее применения постепенно сужается, так как, во-первых, непрерывно улучшается качество стали, выплавляемой в основных мартеновских печах, конвертерах и дуговых электропечах и, во-вторых, стоимость кислой мартеновской стали значительно выше, чем основной. Применяемый в качестве шихтовых материалов кислого мартеновского процесса чугун, металлическая заготовка или жидкий полупродукт с малым количеством примесей в два с лишним раза дороже шихты, используемой в основных мартеновских печах. Кроме того, производительность кислых мартеновских печей значительно ниже, чем основных. В настоящее время кислую мартеновскую сталь используют только для изготовления особо ответственных изделий.

Основные достоинства дуговых электропечей заключаются в возможности: быстро нагреть металл, благодаря чему в печь можно вводить большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что обеспечивает малый угар вводимых в печь легирующих элементов; возможность более полно, чем в других печах, раскислять металл, получая его с более низким содержанием оксидных неметаллических включений, а также получать сталь с более низким содержанием серы в связи с ее хорошим удалением в безокислительный шлак; плавно и точно регулировать температуру металла.

Индукционные печи имеют следующие преимущества по сравнению с дуговыми:

а) отсутствуют высокотемпературные дуги, что уменьшает поглощение водорода и азота и угар металла при плавление;

б) незначительный угар легирующих элементов при переплаве легированных отходов;

в) малые габариты печей, позволяющие поместить их в закрытые камеры и вести плавку и разливку в вакууме или в атмосфере инертного газа;

г) электродинамическое перемешивание, способствующее получению однородного по составу и температуре металла.

Основными недостатками индукционных печей являются малая стойкость основной футеровки и низкая температура шлаков, которые нагреваются от металла; из-за холодных шлаков затруднено удаление фосфора и серы при плавке.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воскобойников В.Г. Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

2. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / под ред. В. И. Явойского. - М.: Металлургия, 1983. - 584 с.

3. Воскобойников В.Г. Технология и экономика переработки железных руд [Текст]: учебник для вузов / В.Г. Воскобойников. - М.: Металлургия, 1977. - 255 с.

4. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали [Текст]: учебник для вузов / В.А. Кудрин. - М.: Мир, 2003. - 528 с.

5. Бигеев А.М. Металлургия стали [Текст]: учебник для вузов / А.М. Бигеев. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1988. - 480 с.

	НОВОСТИ

Изменения

Прошла модернизация движка, изменение дизайна и переезд на новый более качественный сервер

	СЧЕТЧИК

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА
	© 2010