Выплавка стали. Исходные материалы, их подготовка. Сущность процесса

Выплавка стали — это не что иное, как выжигание содержащегося в чугуне углерода, а так же углерод, кремний, фосфор, сера и азот.

Металл, используемый для выплавки стали представляет собой сплав железа с углеродом. Если нужно получить продукцию с какими-нибудь специальными свойствами (высокой прочностью, устойчивостью против коррозии, жаропрочностью и т. п.), то в нее добавляют различные элементы: хром, никель, вольфрам. Элементы, вводимые в нее, называются легирующими. Их суммарное содержание обычно не превышает 30%, а часто бывает всего лишь 1-2%, и поэтому во всех случаях основой остается железо. Рассмотрим его структуру подробнее.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.

Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.

Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.

Второй этап. Кипение металлической ванны, которое начинается по мере прогрева к более высоким температурам. Следовательно, при повышении температуры быстрее протекает реакция окисления углерода, которая происходит с поглощением теплоты.

Для того что бы, произошли окисления углерода в металл необходимо ввести малое количество руды.

Для удаления серы также создаются условия. В стали сера находится в виде сульфида, который тоже растворяется в главном шлаке. Если температура высокая, то количество сульфида железа растворяется в шлаке больше и взаимодействует с оксидом кальция.

Третий этап. Следовательно, сталь раскисляется в восстановлении оксида железа, который растворён в жидком металле.Существуют два способа раскисления стали: осаждающее и диффузионное.Принцип осаждающего раскисления заключается в том, что большее количество в ней кислорода переводят в нерастворимые оксиды элементов - раскислителей.Диффузионное раскисление взаимодействует со специальным шлаком и за счёт этого происходит процесс снижения концентрации кислорода в расплаве стали.Стали выплавляют в зависимости от степени раскисления:

а) спокойные,

б) полуспокойные,

в) кипящие.

При полном раскислении в печи и ковше получается спокойная сталь.

Полуспокойная сталь раскисляется промежуточно между спокойной и кипящей. Кипящая же сталь раскисляется в печи не полностью.

В различных по принципу действиях металлургических агрегатах, таких как мартеновских печах, электрических печах и кислородных конвертерах, чугун переделывается в сталь.

Способы выплавки стали.

1)кислородно-конвертерный;
2)мартеновский;
3)электроплавильный.

кислородно-конвертерный -- выплавка стали производиться в конвертере, представляющим собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Для получения стали ,в конвертер заливают жидкий чугун, имеющий высокую температуру (1250-1400 С) и загружают известняк, металлолом. Затем подают кислород под давлением. При этом кислород быстро выжигает из чугуна избыток углерода и др. примесей, известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному продувку кислородом прекращают и сталь сливают в ковш, а шлак сливают через специальное отверстие. Наличие в жидком металле растворенных газов является причиной образования в слитке пустот, снижающих свойства стали. Для предотвращения образования пустот необходима дегазация жидкой стали до разлива ее в изложницы. Наиболее полная дегазация достигается обработкой стали в вакуумных камерах, в результате которой значительно повышаются плотность слитка и физико-механические свойства металла. После раскисления и дегазации сталь разливают по изложницам.

Преимущества конвертерного способа:
1)высокая производительность;
2)компактность и простота устройства конвертера;
3) низкая себестоимость стали.

Недостатки:
1)в конвертерах перерабатывается только жидкий чугун, а переработка металлолома возможна в небольшом количестве (до 10%);
2)в процессе продувки наряду с выгоранием углерода и других примесей выгорает немалая часть железа (потери металла составляют 10-15%);
3)процесс получения стали вследствие большой скорости с трудом поддается регулированию, что сокращает возможность получения стали точно определенного состава.

Мартеновский способ: Основной принцип действия — вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой выложены каналы огнеупорным кирпичом). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха. Мартеновский способ также зависит от состава шихты, используемой при плавке

Преимущества мартеновского способа:
процесс плавки хорошо поддается управлению, что дает возможность получать сталь высокого качества и определенного состава;

1.возможность использования постоянно возрастающих ресурсов вторичного сырья (отходы сталелитейного производства, отходы металлообработки, амортизационный лом, который образуется в процессе эксплуатации машин и металлических изделий).
Недостатки:

значительный расход топлива.

Производство стали в электрических печах (дуговые и индукционные печи) является более совершенным, чем предыдущие способы. Наиболее широкое распространение в металлургической промышленности поучили дуговые электрические печи. При плавке стали в дуговых электропечах в состав шихтовых материалов входят в основном стальной лом и скрап с добавками чугуна, железной руды, флюсов, раскислителей и ферросплавов. В этих печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым электрической дугой, образуемой между электродами и металлом (служащим вторым электродом) (температура до 3500°С).

В индукционных печах плавку металла осуществляют теплом, выделяемым от вихревых токов, образующих от подачи на корпус индуктора тока высокой частоты. Плавку ведут быстро, поэтому металл не успевает сильно окислиться. Плавка в индукционных печах ведется в воздушной среде или вакууме.

Преимущества способа получения стали в электропечах:

1. создание высокой температуры в плавильном пространстве печи дает возможность быстро проводить плавку;получать сталь и сплавы любого состава;

2.использование известкового шлака, способствует хорошему очищению металла от вредных примесей серы и фосфора;

3.возможность ведения плавки при всех режимах и условиях производства;

4.создание воздушной среды или вакуума в печи способствует хорошему раскислению и дегазации стали.