Основные сведения о производстве стали

 

Сталь – важнейший материал, используемый в машиностроении. В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Конвертерный способ. В настоящее время применяют кислородную плавку, основанную на продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым сверху в конвертер (от лат.converto – изменяю, превращаю). Конвертер представляет собой сосуд грушевидной или цилиндрической формы высотой до 11м и диаметром до 10м. Конвертер покрыт стальным кожухом, внутри выложен огнеупорной кладкой. В нижней части конвертера глухое дно, легко заменяемое. Конвертер устанавливается на стойки и может свободно поворачиваться вокруг горизонтальной оси цапф, что необходимо для загрузки, взятия пробы и выпуска готовой стали.

Процесс выплавки стали в конвертере заключается в следующем: в начале происходит загрузка металлического лома (иногда железной руды), затем заливают жидкий чугун, переводят конвертер в вертикальное положение и загружают известь для удаления фосфора, находящегося в чугуне и руде. Опускают водоохлаждаемую фурму (от нем.Form, букв. – форма) – устройство для подвода дутья в конвертер, через которую подаётся кислород. В результате окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора) выделяется тепло в количестве, достаточном для поддержания металла в жидком состоянии в течении всего процесса без поступления тепла из других источников. Время продувки зависит от вместимости конвертера, заданной марки стали и данных анализа. Температура в конвертере поднимается до 2000…2500ºС. Продолжительность плавки 5…60 минут.

Заключительным этапом получения стали является её раскисление, заключающееся в удалении вредных примесей оксида железа FeO. Раскисление производится добавкой в жидкую сталь раскислителей – марганца, кремния и алюминия:

 

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeО + Si = 2Fe + SiO₂;

3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O₃.

 

В кислородном конвертере можно останавливать процесс на заданном содержании углерода и получать сталь самых различных марок. Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является необходимость сооружения сложных и дорогостоящих пылеочистительных установок, так как в процессе плавки образуется много пыли. Строительство кислородного конвертера требует значительных затрат. Не уступая по качеству мартеновскому способу получения стали, конвертерный способ значительно превосходит его по производительности. Конвертеры выплавляют 400 т/ч стали, а мартеновская печь – 80…100 т/ч.

С учетом указанных преимуществ, а также того, что при конвертерном способе коэффициент использования топлива, равный 70%, значительно больший, чем для других способов, и можно обойтись без миксеров (хранилищ чугуна), кислородно-конвертерная плавка будет в дальнейшем применяться всё более широко.

Мартеновский способ. Мартеновский способ (от имени французского металлурга П. Мартена) – один из старейших способов производства стали. Сталь в мартеновских печах выплавляется из передельного чугуна (твёрдого или жидкого), металлического лома, иногда вместо него применяют железную руду, вводят флюсы, главным образом, известняк. Топливом служат газы: доменный, коксовый, природный, а также мазут.

Мартеновский процесс делится на три этапа: плавление, кипение и раскисление.

Во время плавления окисляются кремний, марганец и фосфор за счёт кислорода оксида железа FeO. Образующиеся оксиды SiO₂, MnO₂ и P₂O₃, соединяясь с известняком, образуют шлак. Сера в виде FeS также соединяется с СаО и переходит в шлак. Для ускорения процесса расплавления и окисления примесей в печь подают через водоохлаждаемые фурмы кислород, благодаря чему сокращаются время плавки и расход топлива и руды.

Во время кипения окисляется углерод. При этом осуществляется химический контроль за количеством углерода в стали. Когда достигается необходимое содержание углерода, серы и фосфора, сталь раскисляют ферросплавами или алюминием.

Мартеновсий процесс длится 8…14 часов в зависимости от вместимости печи. В настоящее время работают печи производительностью от 40 до 900 тонн в плавку.

Плавка в дуговых и индукционных электрических печах. Такая плавка является важнейшим способом получения стали высокого качества для производства деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конвертерной. Электропечь быстро нагревается до заданной температуры - 2000º С. Легко регулируется тепловой процесс. В электропечи легче легировать сталь, можно более полно удалять серу и фосфор, получать более раскислённую сталь. Электропечи бывают дуговые и индукционные. Большее применение находят дуговые печи. Процесс плавки в них в зависимости от вместимости длится 2,5…8 часов.

Производство стали в индукционных печах осуществляется значительно реже, чем в дуговых. Их чаще всего применяют при переплавке отходов легированной стали. Высокая температура, возможность создания вакуума, отсутствие науглероживающего металла позволяют получать в них сталь с малым содержанием углерода, Вместимость этих печей небольшая.