Физико-химические особенности сталеплавильных процессов

 Сталь — это сплав железа с углеродом, который со­держит менее 2 % углерода. Постоянными примесями в стали являются марганец, кремний, фосфор и сера.

Главной составляющей, определяющей свойства ста­лей, является углерод. С увеличением процентного со­держания углерода прочность стали повышается, а спо­собность к пластической деформации понижается. Кроме углеродистых в автомобилестроении широко применяют легированные стали, в состав которых для улучшения тех или иных свойств дополнительно вводят хром, никель, молибден и другие элементы.

Сера и фосфор относятся к вредным примесям. Сера уменьшает способность к ковке и свариваемость, дела­ет сталь ломкой при нагреве (красноломкость). Фосфор придает стали хрупкость в холодном и горячем состоя­нии (хладноломкость).

Исходными материалами для получения стали служат: передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Ос­новная задача передела чугуна в сталь состоит в удале­нии избытка углерода и примесей с помощью окисли­тельных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах.

Состав, свойства и качества сталей в значительной степени зависят от способа ее производства. Основны­ми способами производства стали являются:

 кислородно-конвертерный;

 мартеновский;

 электродуговой.

Конвертерный способ производства стали заключает­ся в том, что через жидкий чугун, заливаемый в конвер­тер, продувается воздух. Кислород, находящийся в воз­духе, вступает в реакцию с углеродом, кремнием, марганцем и другими примесями в чугуне и окисляет их.

Процесс выплавки стали осуществляется только за счет теплоты химических реакций окисления примесей с учетом физической теплоты жидкого чугуна. Продув­ка чугуна воздухом производится сверху или через дни­ще в специальных агрегатах — конвертерах (рис. 1).

Сталь в конвертерах выплавляют бессемеровским[1], томасовским[2] и кислородно-конвертерным способами. Не­достатками бессемеровского и томасовского способов является низкое качество стали из-за повышенного со­держания азота и необходимости использования толь­ко специальных сортов чугуна со строгими ограничени­ями по содержанию кремния, серы и фосфора. В России бессемеровскую и томасовскую сталь почти не произ­водят.

Кислородно-конвертерный процесс выплавки стали с продувкой технически чистым кислородом сверху по­зволяет перерабатывать чугуны различного химическо­го состава, включая даже высокофосфористые и природно-легированные.

Конвертеры для продувки жидкого чугуна кислоро­дом сверху имеют глуходонное днище и летку для вы­пуска жидкого металла. В этих конвертерах реакция окисления примесей происходит интенсивнее, качество сталей значительно улучшается, производительность повышается. Продувка воздухом занимает 15—20 минут. В настоящее время используются кислородные конвер­теры емкостью 100—400 т. Объем выплавляемой кисло­родно-конвертерной стали составляет около 35 % от общего ее производства.

Вращающиеся (роторные) конвертеры были созданы в результате совершенствования конвертерного способа. Печь напоминает бетономешалку и имеет три отвер­стия: загрузочное, для отводов продуктов горения и лет­ку для выпуска металла. В разогретую печь загружают железную руду и известь, затем заливают жидкий чугун и в жидкую массу металла поверху подают кислород. От загрузки печи до выхода стали проходит 50—60 минут.

Благодаря вращению конвертера вокруг своей оси жидкая сталь в ванне хорошо перемешивается, металл получается более однородным по химическому составу. Кроме того, происходит максимальное удаление серы и фосфора.

 Мартеновский процесс. Одним из недостатков конвертерного способа является повышенное содержа­ние в стали кислорода, ухудшающее ее механические свойства. Поэтому для изготовления многих ответствен­ных изделий (инструментов; пружин; деталей, работа­ющих под ударными нагрузками и т.д.) конвертерная сталь непригодна. Кроме этого, конвертерное производ­ство стали не решает проблему утилизации отходов (стальной лом, стружка, скрап литейного производства и т. д.).

В мартеновских печах окисление осуществляется так­же воздухом, но проходящим через шлак, который изо­лирует расплавленный металл от непосредственного воздействия кислорода воздуха, что уменьшает угар ме­талла и способствует улучшению качества стали.

Для выплавки стали в мартеновских печах применя­ются: белый чугун, железная руда, лом, флюсы (известняк, обожженная известь, бокситы, плавиковый шпат). В зависимости от состава шихты различают следующие разновидности процесса выплавки стали в мартеновских печах:

 скрап-процесс;

 скрап-рудный процесс;

 рудный процесс.

Скрап-процесс применяется на машиностроительных заводах, не имеющих доменных печей и располагающих большим количеством всевозможных отходов производ­ства в виде стального лома (скрапа), пакетированной стружки, пришедших в негодность чугунных и стальных деталей машин. В качестве добавки применяются чушковый чугун и известняк.

Скрап-рудный процесс применяется на заводах, осна­щенных доменными печами. В этом случае 50—75 % шихты составляет жидкий чугун, остальная часть — стальной лом. Для окисления примесей чугуна в шихту вводится значительное количество железной руды.

Рудный процесс не применяется в виду своей неэко­номичности.

Мартеновская печь (рис. 2) представляет собой сложное инженерное сооружение, оснащенное совер­шенными механизмами для загрузки шихтовых матери­алов и уборки продуктов плавки. Она оборудована при­борами для автоматического регулирования процесса горения и температуры в печи.

Мартеновская печь состоит из рабочего (плавильного) пространства, ограниченного сверху сводом, а снизу — подом. Передняя стенка имеет завалочные окна, через которые загружают шихтовые материалы. В задней стен­ке имеются отверстия для выпуска стали и шлака.

В рабочем пространстве печи сжигается газообразное (смесь доменного и коксового газов) или жидкое (ма­зут) топливо. Необходимая высокая температура для получения стали в жидком состоянии обеспечивается за счет регенерации тепла отходящих газов.

В торцах рабочего пространства печи расположены головки для подвода топлива и воздуха и отвода продук­тов горения. Головки соединены с нижним строением печи вертикальными каналами. Нижнее строение печи расположено под рабочей площадкой, где находятся шлаковники, в которых происходит отделение от дымовых газов частиц шлака и пыли из рабочего пространства.

Здесь же размещены регенеративные камеры и борова  с перекидными клапанами.

При прохождении дымовых газов насадки одной пары регенераторов нагреваются до температуры 1300— 1400°С. После перекидки клапанов движение топ­лива, воздуха и газов меняется на противоположное. Через один из нагретых регенераторов в рабочее про­странство пойдет газообразное топливо, через другой — воздух. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100— 1200°С. В это время другая пара регенераторов на­гревается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадок первой пары регенераторов до оп­ределенной температуры происходит очередная пере­кидка клапанов и процесс повторяется в обратном на­правлении. Из регенераторов дымовые газы идут по боровам в дымовую трубу, по пути проходя через котел-утилизатор и газоочистку.

Процесс плавки состоит из нескольких последова­тельных периодов:

 заправки печи;

 нагрева шихтовых материалов и их плавления;

 кипения (доводки);

 раскисления металла;

 выпуска готовой стали.

Производство стали в электропечах — наиболее совер­шенный способ получения стали, имеющий ряд суще­ственных преимуществ по сравнению с производством стали в конвертерах и мартеновских печах, а именно:

 температура плавильного пространства (достига­ет 2000°С) позволяет расплавлять металл с высо­кой концентрацией тугоплавких компонентов (хрома, вольфрама, молибдена и др.), способствует
более полному удалению вредных примесей (серы, фосфора и неметаллических включений);

 возможность производства любых марок стали с заданным содержанием легирующих элементов, таких, как хром, никель, ванадий, титан и др.;

 обеспечивается точность и простота регулирова­ния температур режима плавки;

 значительно уменьшается угар металла и особен­но легирующих элементов благодаря регулирова­нию температуры.

В электрических печах выплавляют высококаче­ственные конструкционные, инструментальные стали и сплавы со специальными свойствами (жаро-, коррозионностойкие и др.). Для выплавки стали применяют дуговые и индукционные электрические печи.

Дуговая электропечь (рис. 3) представляет собой сварной цилиндрический кожух со сферическим дном, изнутри футерованный огнеупорным кирпичом. В съемном своде печи имеются отверстия для установ­ки графитовых электродов. Электроды удерживаются и автоматически перемещаются по вертикали с помощью подъемного механизма. Поворотный механизм позволя­ет устанавливать печь в наклонное положение. При вы­пуске стали печь наклоняют в сторону выпускного отвер­стия, при скачивании шлака — в сторону загрузочного окна.

Дуговая плавильная электропечь постоянного тока ёмкостью 12 т
(Вид на печь со стороны выпуска)

 Шихта состоит из стального лома, чугуна, флюсов, железной руды, легирующих добавок и раскислителей. Загрузку шихты в печь производят сверху с помощью бадьи с открывающимся дном.

Источником тепла является электрическая дуга, ко­торая возбуждается между графитовыми электродами и металлической шихтой.

Дуговая печь постоянного тока является более перспективным плавильным агрегатом по сравнению с индукционной печью благодаря следующим факторам: уменьшение времени плавки, более низкий расход электроэнергии, возможность проводить окислительно-восстановительные реакции, возможность выплавки шлаков с низким содержанием металлов, использование шихты разного вида в т.ч. стружки и пылевидных материалов, повышенная стойкость футеровки, взрывобезопасность, отсутствие выбросов дымовых газов в цех.

Индукционные печи. Нагрев в индукционных печах осуществляется за счет тепла, выделяемого в твердом или жидком металле вихревыми токами, индуцируемы­ми переменным магнитным полем.

Схема индукционной печи приведена на рис. 4. В немагнитном кожухе помещается индуктор и огне­упорный плавильный тигель. Через индуктор, представ­ляющий собой катушку из медной трубки, охлаждаемой внутри водой, пропускают ток, возбуждающий вокруг переменное магнитное поле. В металле, находящемся в тигле, индуцируются мощные вихревые токи, обеспечи­вающие его нагрев и плавление.

Расчет шихты ведут так, чтобы по расплавлении по­лучить металл заданного состава. Шихту составляют из свободных от вредных примесей материалов и загрузку ее в тигель производят сверху. После полного расплав­ления металла берут пробу на химический анализ. По­лучив результаты анализа и необходимую температуру расплава, проводят его раскисление и легирование.

Преимуществом индукционной печи является воз­можность достижения очень высоких температур метал­ла, что позволяет выплавлять различные высоколегиро­ванные стали и сплавы специального назначения. Вихревые токи, вызывая энергичное перемешивание металла, способствуют этим очищению его от вредных примесей.

Недостатком этих печей является более высокий, чем в дуговых печах, расход электроэнергии.

Электрошлаковый переплав. Путем электрошлаково­го переплава получают стали и сплавы особо высокого качества и наиболее ответственного назначения. Разра­ботанный в России способ электрошлакового перепла­ва (ЭШП) расходуемых электродов в водоохлаждаемом кристаллизаторе нашел широкое применение для полу­чения коррозионностойких, подшипниковых, инстру­ментальных и других сталей специального назначения.

Метод ЭШП состоит в том, что полученные обычным способом стали перерабатываются на электроды (слитки) для последующей их переплавки в электрошла­ковой печи.

Схема установки ЭШП приведена на рис. 5. Плав­ление электродов (слитков) происходит за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служаще­го сопротивлением при прохождении через него элект­рического тока. Металл расходуемого электрода плавит­ся и каплями стекает сквозь слой шлака. При этом каждая его капля очищается от вредных примесей и не­металлических включений, содержание которых в ста­ли после переплава уменьшается в несколько раз. Об­разуется высококачественный плотный слиток с однородным строением, в котором отсутствуют порис­тость, неметаллические и газовые включения.

Рис. 1. Схема работы конвертера:

а — заливка чугуна; б— продувка; в— выпуск стали

Рис. 2. Схема мартеновской печи:

1 — газовые регенераторы; 2 — воздушные регенераторы;

3, 4— воздушные и газовые вертикальные каналы; 5 — головки;

6 - рабочее пространство печи; 7 — подина печи; 8 — свод;

9 — рабочие окна; 10 — насадка регенератора; 11 — борова

Рис. 3. Схема дуговой электропечи:

1 — трансформатор; 2 — токоподводящие кабели; 3 — гидравли­ческий привод наклона печи; 4, 5 — опора сектора и сектор для наклона печи; 6 — подина печи; 7 — желоб для выпуска металла; 8 — свод печи; 9 — электроды; 10 — механизм для подъема и опускания электродов

Рис. 4. Схема индукционной электрической печи:

1 — огнеупорный тигель; 2 — индуктор; 3 — расплавленный металл

Рис. 5. Схема установки электрошлакового переплава стали:

1 — расходуемый электрод; 2 — медный водоохлаждаемый

кристаллизатор; 3 — поддон; 4 — слиток; 5 — жидкий металл;

6 — трансформатор; 7 — расплавленный шлак