Раздел 3. Производство стали
Цель раздела:
Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали
План раздела 3:
3.1. Конвертерное производство стали
3.2. Мартеновское производство стали
3.3. Выплавка стали в электрических печах
3.4. Внепечная обработка стали
3.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали
План раздела 3.1:
3.1.1. Конвертерное производство стали
3.1.2. Технология плавки в кислородном конвертере
3.1.3. Автоматизация работы конвертерного производства
3.1.1. Конвертерное производство стали
Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом и другими примесями. Получение железа в чистом виде представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Механические свойства, в частности прочность, чистого железа ниже свойств сплавов железа. В чистом виде железо – материал дорогой, его используют для специальных целей. Обычно в технике и в быту используют сталь.
Настоящий период развития металлургии характеризуется коренным изменением как масштабов производства качественной и высококачественной стали и доли ее в общем производстве, так и методов ее получения. Это связано с рядом обстоятельств:
1) для производства стали требуются: добыча и обогащение железной руды, добыча угля и получение из него кокса, добыча добавочных материалов, сооружение металлургических заводов, что связано с огромными и все возрастающими (в связи с истощением запасов богатых руд и дефицитом коксующихся углей) затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов;
2) развитие техники позволяет непрерывно повышать эффективность металлургического производства, т.е. из того же количества руды и угля получать все большее количество металлоизделий;
3) непрерывное и осуществляемое все возрастающими темпами перевооружение промышленности связано с выводом из строя устаревшего оборудования и соответственно с получением большого количества металлолома; металлолом (а не железная руда) все в большей мере становится основным сырьем для производства стали (это относится прежде всего к развитым в промышленном отношении странам — странам с большой "металлоемкостью" народного хозяйства);
4) высокие требования к качеству стали привели к разработке новых технологий, что существенно изменило в последние годы положение дел в сталеплавильной промышленности.
Требования новых отраслей техники к качеству многих марок стали резко возросли 20-30 лет тому назад и продолжают возрастать. Это привело к увеличению масштабов производства стали и сплавов, содержащих ничтожно малое количество газов, неметаллических включений и других нежелательных примесей, однородных по свойствам. Были разработаны новые способы обработки металла как в самом агрегате, так и вне его. Возможность получения стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей при минимальном развитии ликвации обеспечивает возможность роста промышленного производства без увеличения количества выплавляемой стали.
Около 65-70 % стали от общего объема мирового производства изготавливается конвертерным способом.
В настоящее время известно три способа производства стали: мартеновский, кислородно-конвертерный и электросталеплавильный.
Изобретателем конвертерного способа считают англичанина Г. Бессемера, впервые осуществившего в 1854-1856 гг. получение стали без расхода топлива, продувкой воздуха через расплавленный чугун. Поэтому способ массового производства жидкой стали назывался бессемеровский процесс (в конвертере с кислой футеровкой). Несколько позже – в 1878 г. – С.Томасом был разработан схожий процесс в конвертере с основной футеровкой (томасовский процесс).
Сущность конвертерных процессов на воздушном дутье (бессемеровского и томасовского) 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 (~ 1600 °С).
Достоинства бессемеровского и томасовского процессов - 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 (0,010-0,025 %), вызываемое тем, что азот воздушного дутья растворяется в металле. По этой причине бессемеровская и томасовская стали обладают повышенной хрупкостью и склонностью к старению.
Недостатком бессемеровского процесса является ограниченная гамма чугунов, которые могут перерабатываться этим способом, так как при динасовой футеровке не удается удалить из металла такие примеси, как серу и фосфор, в том случае, если они содержатся в чугуне.
Новым важным этапом, вновь поставившим конвертерные способы на современный уровень и обеспечившим ему повсеместное широкое применение, явилась замена воздушного дутья кислородным.
В период с 1955 по 1975 г. бессемеровский и томасовский процессы и их разновидности были вытеснены кислородно-конвертерными процессами с верхней и нижней подачей дутья.
Кислородно-конвертерный процесс – это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму.
Это самый производительный способ получения стали.
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:
1) более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 140 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400-500 т/ч);
2) более низкие капитальные затраты, т.е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;
3) меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;
4) процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки;
5) благодаря четкому ритму выпуска плавок работа конвертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.
Кроме того, по сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.
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 (до 25-27 % от массы шихты), что обеспечивает снижение стоимости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.
Исходные материалы кислородно-конвертерного процесса:
- жидкий передельный чугун,
- стальной лом (не более 30%),
- известь,
- железная руда,
- боксит (Al2O3),
- плавиковый шпат (CaF2).
Постоянно используется также газообразный кислород.
При таком способе подвода кислорода процесс идет очень горячо, что дает возможность перерабатывать чугуны с различным содержанием примесей, а также не только вводить в конвертер жидкий металл, но и добавлять к нему для охлаждения скрап или железную руду (количество скрапа на некоторых заводах доводят до 30 % массы металла).
В течение продувки протекают следующие основные металлургические процессы:
а) окисление составляющих жидкого металла вдуваемым кислородом; окисляется избыточный углерод, а также весь кремний, около 70% марганца и немного (1-2%) железа. Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО2) удаляются из конвертера через горловину (отходящие конвертерные газы), другие оксиды переходят в шлак;
б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает формироваться основной шлак из продуктов окисления составляющих металла (SiО2, MnO, FeO, Fe2О3) и растворяющейся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющее футеровкой. Основность шлака по ходу продувки возрастает по мере растворения извести, достигая 2,7-3,6;
в) дефосфорация и десульфурация. В образующийся основной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных примесей - большая часть (до 90 %) фосфора и немного (до 30 %) серы;
г) нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры (1600-1660 °С) за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;
д) расплавление стального лома за счет тепла экзотермических реакций окисления; обычно оно заканчивается в течение первых 2/3 длительности продувки;
е) побочный и нежелательный процесс испарения железа в подфурменной зоне из-за высоких здесь температур (2000-2600 °С) и унос окисляющихся паров отходящими из конвертера газами, что вызывает потери железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.
Продувку необходимо закончить в тот момент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляемой марке стали содержания; к этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых для данной марки стали пределов.