Сущность процесса выплавки стали

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами.

Низкоуглеродистая сталь существенно отличается по составу примесей и содержанию углерода от передельного чугуна (табл. 1.2)

Таблица 1.2

Сопоставление содержания углерода и примесей

в передельном чугуне и низкоуглеродистой стали, % [10]

Материал	С, %	Si, %	Mn, %	P, %	S, %
Передельный чугун	4–4,4	0,76–1,26	до 1,75	0,15–0,3	0,03–0,07
Сталь низко-углеродистая	0,14–0,2	0,12–0,3	0,4–0,65	0,05	0,055

Суть передела чугуна в сталь состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления.

Процесс выплавки стали содержит три основных этапа [10].

Основной задачей первого этапа является удаление фосфора, одной из наиболее вредных примесей [10].

Для этого необходим основной шлак, содержащий СаО. Поэтому для уменьшения содержания фосфора плавку необходимо осуществлять в основной печи. Оксид кальция при невысоких температурах (в начале плавки) связывает ангидрид P₂O₅ , переводя его в шлак:

2P+5FeO+4CaO«(4CaO×P₂O₅)+5Fe+Q. (1.35)

Экзотермические реакции (с выделением теплоты) согласно принципу Ле Шателье, протекают при более низких температурах, чем эндотермические (реакции с поглощением тепла). Поэтому окисление фосфора происходит в начале плавки.

Поскольку фосфор окисляется за счет кислорода оксида железа, для ускорения этого процесса в сталеплавильную печь на первом этапе плавки добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. По мере накопления фосфора в шлаке его сливают, наводя новый. После расплавления шихты образуются две несмешивающиеся среды, имеющие различные плотности: металл и шлак.

Примеси, а также их соединения, растворимые в металле и шлаке, согласно закону Нерста [10], будут распределяться в металле и шлаке в определенном для данной температуры соотношении. Поэтому, изменяя состав шлака, можно добиться удаления примесей из металла в шлак. С этой целью шлак чаще сливают, наводя новый путем подачи флюса требуемого состава.

Соединения примесей, нерастворимые в металле и шлаке, в зависимости от их плотностей переходят либо в металл, либо в шлак.

Задачами второго этапа являются уменьшение содержания в металле углерода и серы [10].

Углерод окисляется с поглощением теплоты по реакции (1.36), причем это происходит при более высокой температуре в середине и конце плавки:

. (1.36)

На этом этапе также вводят руду, окалину, содержащие оксид железа, или непосредственно вдувают кислород. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода (угарного газа) выделяются из жидкого металла, вызывая эффект «кипения». Кипение не только приводит к уменьшению содержания углерода, но и способствует выравниванию температуры по объему ванны, удалению неметаллических включений, прилипающих к пузырькам СО, а также других газов. Все это в конечном счете повышает качество металла.

На этом же этапе сульфид железа растворяется в основном шлаке:

. (1.37)

Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, таким образом, сера удаляется в шлак.

Задачей третьего этапа является восстановление железа из оксида железа, т. е. раскисление стали [10].

Кислород, содержащийся в оксиде железа, необходимый для окисления вредных примесей на первых двух этапах плавки, снижает качество готовой стали, т. е. сам является вредной примесью.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. При осаждающем способе в жидкую сталь вводят растворимые раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий), которые отбирают кислород у оксида железа, образуя оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃.

(1.38)

(1.39)

Эти оксиды легче стали, и поэтому они переходят в шлак. Однако часть их остается в стали, снижая ее свойства.

При диффузионном способе раскислители распыляют по поверхности жидкого шлака. Восстанавливая оксид железа FeO, раскислители уменьшают его содержание в шлаке. При этом восстановленное железо переходит в сталь, а в соответствии с законом распределения оксид железа FeO из стали переходит в шлак [10].

В зависимости от степени раскисления различают спокойную сталь, полностью раскисленную, кипящую сталь, раскисленную неполностью, и полуспокойную, имеющую промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей сталями.

Для изменения строения стали, придания ей определенных физико-химических или механических свойств осуществляют легирование стали, т. е. вводят в ее состав легирующие добавки. В состав легированных сталей помимо компонентов, характерных для углеродистых сталей, входят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.), которые повышают качество стали и придают ей особые свойства [10].

Легирующие элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду по сравнению с железом (Ni, Co, Mo, Cu), вводят в печь в любое время плавки, обычно вместе шихтой. Те легирующие элементы, которые способны отбирать кислород у оксида железа, вводят вместе с раскислителями в конце плавки, а иногда – непосредственно в ковш при разливке стали.

Производство стали

Масштабы производства стали характеризуют технико-экономический уровень развития государства. В 1974 г. мировое производство стали составляло более 700 млн тонн, причем примерно 20% этого количества было выплавлено в СССР. Сталь служит материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей техники

Сталь выплавляют в мартеновских печах, конвертерах и электропечах из передельного чугуна и стального лома.

Первая мартеновская печь была построена в 1864 г. во Франции. Названа по имени французского металлурга П. Мартена. Она представляет собой пламенную регенеративную печь и имеет рабочее плавильное пространство в форме ванны, ограниченное снизу подиной 9, а сверху – сводом 8 (рис. 1.10) [10].

Рис. 1.10. Схема устройства мартеновской печи:

1 – регенераторы, 2 – головки, 3 – фурма (труба) для подачи

кислорода, 4 – загрузочные окна, 5 – шихта, 6 – факел,

7 – дымовая труба, 8 – свод, 9 – подина

По бокам расположены две головки 2, служащие для попеременной подачи и смешения газообразного топлива и воздуха, предварительно подогретых в регенераторах. Регенераторы 1 представляют собой камеры со специальными кирпичными насадками. Благодаря периодическому переключению горячего воздуха, поступающего из рабочего пространства печи, и холодного воздуха и газообразного топлива, поступающих в рабочее пространство печи, насадка нагревается, а затем отдает тепло холодному воздуху и газу, подогревая их до температуры 1000–1200 °С.

В мартеновских печах под, стены и свод рабочего пространства выложены огнеупорными материалами. Огнеупорные материалы делят на кислые (динас с наваркой из кварцевого песка) и основные (магнезит, доломит, хромомагнезитовый кирпич).

Емкость мартеновских печей от 200 до 900 т. Для печи вместимостью 900 т площадь пода составляет 115 м². Средний съем стали с 1 м² в сутки составляет 10 т/ м², а расход условного топлива – до 80 кг/т, т. е. 0,08 [5].

Мартеновский способ уступает место более производительному и экономичному конверторному процессу.

Конвертер (рис. 1.11) представляет собой сосуд грушевидной или цилиндрической формы, выполненный из стального листа и футерованный основным огнеупорным кирпичом [5].

Рис. 1.11. Схема устройства кислородного конвертера

Вместимость конвертера 130–350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360° для заливки чугуна, завалки скрапа, слива стали и шлака.

Для выплавки стали конвертер сначала наклоняют и загружают в него металлический лом (скрап). Количество металлолома не должно превышать 30%. Затем в конвертер заливают жидкий передельный чугун при температуре 1250–1400 °С. После этого конвертер приводят в вертикальное положение и осуществляют продувку кислородом (или воздухом). При этом происходит окисление железа и примесей (см. формулы (1.35–1.38)) и выделяется тепло.

Продувка осуществляется через водоохлаждаемый наконечник трубопровода – фурму под давлением 0,8–1,4 МПа. Применение кислородного дутья вместо воздушного позволяет получать сталь с низким содержанием азота (0,002–0,006%).

Для наведения шлака используют известь, железную руду, боксит (Al₂O₃), плавиковый шпат CaF₂ (для разжижения шлака). Поскольку высокое содержание в шлаке FeO (от 7 до 20%) затрудняет удаление серы, в качестве исходных материалов применяют чугун с содержанием серы не более 0,07%.

Плавка в конвертерах вместимостью 130–300 т заканчивается через 25–50 мин, причем расходы на топливо вообще отсутствуют.

Конверторный процесс наиболее часто применяется в сталеплавильных цехах металлургических комбинатов (заводов) для переделки чугуна в сталь путем продувки его в конвертере газами, содержащими кислород, либо технически чистым кислородом. При этом в результате окисления железа и примесей (см. формулы (1.35–1.38)) выделяется тепло в количестве, достаточном для сохранения расплавленного состояния металла в течение всего процесса без подвода тепла из каких-либо других источников.

Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов. В них можно получать высокую температуру, создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу и вакуум, раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений – продуктов раскисления.

В металлургии нашли применение дуговые и индукционные электропечи, печи электрошлакового переплава, а также электронно-лучевые и плазменно-дуговые печи.

Дуговая плавильная электропечь (рис. 1.12) [10] имеет три угольных электрода (из графитизированной массы).

Рис. 1.12. Схема дуговой электрической плавильной печи

Питание на электроды подается от трехфазного трансформатора переменного тока. Между электродами и металлической шихтой зажигают электрические дуги при рабочем напряжении 160–600 В и токе 1–10 кА. Длина дуги автоматически регулируется путем перемещения электродов. Плавильное пространство печи ограничено стенками, подиной и сводом, футерованными огнеупорным кирпичом. Для загрузки печи свод снимают. Печь имеет возможность наклоняться в сторону загрузочного окна или летки. В металлургических цехах используют электропечи с основной футеровкой, в литейных – с кислой футеровкой.

В основной дуговой печи можно осуществлять плавку методом переплава (на шихте из легированных отходов) или с окислением примесей (на углеродистой шихте).

При плавке методом дугового переплава шихта должна иметь меньше Mn, Si, P, чем в выплавляемой стали. После расплавления шихты наводят основной шлак для удаления серы, регулируют содержание углерода и затем проводят диффузионное раскисление.

Плавку на углеродистой шихте применяют для производства конструкционных сталей. В печь загружают стальной лом (до 90%) чушковый передельный чугун (до 10%), электродный бой или кокс для науглероживания металла и известь (2–3%). Сущность процесса выплавки стали рассмотрена выше.

Для определения химического состава металла берут пробы и при необходимости в печь вводят ферросплавы. После этого сталь раскисляют и выпускают в ковш.

При выплавке легированных сталей в дуговых печах в сталь вводят легирующие элементы.

В индукционной тигельной плавильной печи (рис. 1.13) металл помещается в металлический сосуд (тигель), футерованный огнеупорным материалом, и подвергается воздействию переменного электромагнитного поля, в результате чего в нем индуктируются вихревые токи, нагревающие металл [10].

Переменное магнитное поле создается индуктором, через который от генератора высокой частоты проходит однофазный ток частотой от 500 до 2000 Гц. Емкость индукционных тигельных печей – от 60 кг до 25 т.

Индукционные тигельные печи позволяют получать очень чистые металлы с минимальным содержанием примесей, характеризуются высокой скоростью нагрева, легкостью регулирования температуры, незначительным угаром металла, возможностью плавки в защитной газовой среде или в вакууме.

Рис. 1.13. Схема индукционной тигельной электрической

плавильной печи

При вакуумной индукционной плавке индуктор с тиглем, дозатор шихты и изложницы помещают в вакуумные камеры. Плавка, введение легирующих добавок, раскислителей, разливка металла в изложницы производятся без нарушения вакуума в камере, благодаря чему получают сплавы высокого качества с малым содержанием газов, неметаллических включений, легированные любыми элементами.

Для повышения качества металла используют обработку синтетическим шлаком, вакуумную дегазацию, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой пепреплав, вакуумно-индукционный переплав, переплав в электронно-лучевых и плазменных печах.

Обработка синтетическим шлаком, состоящим из СаО (55%), АЛ₂О₃ (40%) и небольшого количества SiO₂, MgO, FeO, заключается в том, что выплавленный в электропечи шлак заливают в ковш непосредственно перед заливкой стали [10]. Благодаря перемешиванию стали и шлака реакции между ними протекают быстрее, чем в плавильной печи. В результате снижается содержание серы, кислорода и неметаллических включений, увеличивается пластичность и прочность стали.

При вакуумной дегазации стали ковш с жидкой сталью помещают в герметичную камеру, в которой создается давление 0,27– 0,67 кПа (рис. 1.14).

При таком разряжении из жидкой стали интенсивно выделяются газы (водород и азот). Всплывающие пузырьки захватывают неметаллические включения.

Электрошлаковый переплав –бездуговой процесс электроплавки сталей (и других сплавов), при котором необходимое для плавки тепло выделяется при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводящий шлак. Под действием выделяющейся в шлаке теплоты металл электродов плавится и стекает под шлак, где застывает в слиток.

Изоляция кристаллизующегося металла от атмосферы слоем шлака позволяет получать сталь высокого качества даже без применения вакуума. Электрошлаковые печи по конструкции проще дуговых, тем более вакуумных, а электрический режим в них гораздо стабильнее.

Рис. 1.14. Схема вакуумной дегазации стали в ковше

Вакуумно-дуговой пепреплав и вакуумно-индукционный переплав стали осуществляют в вакуумных дуговых или индукционных печах при пониженном остаточном давлении 100–0,1 МПа. Вакуумный переплав позволяет эффективно очистить металл от газов (азота, кислорода, водорода), примесей и неметаллических включений. Эти методы используются в производстве сплавов для особо ответственных изделий (например, для изготовления дисков и валов турбин и компрессоров).

Переплав в электронно-лучевых и плазменных печах применяют для выплавки сплавов и сталей особо высокого качества.