13. Способы производства стали

13.1. Кислородно-конвертерное, мартеновское производство стали и производство стали в електропечах

Стали - железоуглеродистые сплавы, содержащие до 1,5 % уг­лерода. Кроме углерода, сталь содержит марганец (до 0,8 %), кремний (до 0,4 %), фосфор (до 0,07 %), серу (до 0,06 %).

Для производства стали используют передельный чугун и стальной скрап (лом). По химическому составу сталь отличается от передельного чугуна содержанием углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и др. элементов. Поэтому производство стали сводится к проведению окислительной плавки для удаления избытка углерода, марганца и др. примесей.

В технике использу­ют легированные стали с хромом, никелем и пр. Существует свыше 1500 марок сталей.

Наряду с выплавкой стали проводят такие процессы, как раскисление, легирование, рафинирование и т.д.

13.1.1. Кислородно-конвертерный процесс

Сущность его заключается в том, что налитый в плавильный агрегат (конвертер) расплавленный чугун продувают струёй кислорода сверху через фурмы под давлением 0,9-1,4 МПа. В больших конвертерах – до 4 фурм. Их ставят под углом к расплаву для лучшего перемешивания. Время продувки- 1,5-2,5 мин. Температуру жидкого чугуна поддерживают горячим пламенем воздуха и теплом, выделяющимся при окислительных реакциях. Для загрузки шихты конвертер наклоняют, засыпают скрап, заливают расплавленный чугун, переворачивают, вставляют фурмы и продувают. Потом засыпают часть флюса и железной руды. Остальное – в процессе сталеварения. Окончание продувки – бурое пламя, свидетельствующее о горении железа. Потом конвертер поворачивают в горизонтальное положение и берут пробы металла и шлака на химический анализ. При удовлетворительном анализе открывают лётку и через неё выпускают в ковш сталь, а через горловину – шлак в шлаковозы.

Углерод, кремний и другие примеси окисляются и тем самым чугун переделывается в сталь, по схеме : 2Fе+О₂=2FeO ; С + FeO = CO + Fe ; Si + 2FeO = SiCО₂ + Fe ; Mn + FeO = MnO + Fe.

Раскисление стали - завершающая операция выплавки стали. Выплавка стали из чугуна и скрапа является окислительным процес­сом, поэтому сталь в конце плавки содержит растворенный кислород, ухудшающий прочность и пластичность стали. Раскисляют обычно ферросплавами, богатыми марганцем, кремнием, и алюминием: [Мn] + [О] = (MnO) + Q; [Si]+2[О]=(SiО₂)+Q; 2[А1]+3[О]=(А1₂О₃)+Q.

Существует еще бессемеровский кислородный процесс, в котором жидкий чугун продувают снизу. Недостаток – остается много азота в стали, вследствие чего появляется пористость) или горячим кислородом (недостаток – развивается большая температура, и днище печи прогорает.

Продуктивность кислородного конвертера значительно большая, чем у мартеновской печи: 400-500 тонн стали в сутки, тогда как в мартене – 80 тонн. Кроме того, не требуется топливо. Шихта расплавляется за счет тепла, которое выделяется за счет экзотермического окисления примесей. Производство стали в конвертере увеличивается, а в мартене – уменьшается.

В кислородных конвертерах получают практически все углеродистые стали и часть легированных. Из нее изготавливают кузова автомобилей, балки швеллеры и т.п.