Развитие производства стали
Переход к получению стали в жидком состоянии позволил совершить скачок в интенсификации производства - в повышении производительности агрегатов и улучшении качества стали. Чугун содержит 4-4,5 % углерода. В стали содержится от 0,08 до 2,0 %. Поэтому выплавка стали в сталеплавильных печах связана с окислительными процессами. В этих процессах под действием кислорода происходит окисление примесей чугуна и лома: углерода, кремния, марганца, фосфора и железа.
Процесс производства стали из чугуна вели в окислительных кричных горнах, а затем в пудлинговых печах (Г. Корт, 1784 г.), конвертерах (Г. Бессемер, 1855 г. и С. Томас, 1878 г.), мартеновских печах (Э. и П. Мартены, 1864 г.) и электродугового (1900, Франция).
Схема кричного горна приводится на рис. 1.4. В кричный горн загружали кричное железо, чугун и древесный уголь. Через фурму подавали дутье. В результате взаимодействия оксидов железа шлаковой составляющей углерод чугуна окислялся, а оксиды железа восстанавливались. При этом извлечение железа из руды повышалось. Поэтому первые доменные печи периодически работали на выплавку чугуна и крицы.
Рис. 1.4 Кричный горн
Схема пудлинговой печи приводится на рис. 1.5. В дальнюю от топки ванну пудлинговой печи загружали чугун. По расплавлению чугун с помощью деревянных пик переносился в ближнюю к топке камеру, где происходит окисление чугуна.
Рис. 1.5. Пудлинговая печь: 1- топка; 2 - рабочее пространство; 3 - чугунник (камера для подогрева холодного чугуна отходящими газами)
Бессемеровский конвертер, который изображен на рис.1.6, предназначен для переработки жидкого чугуна в сталь за счет окисления углерода чугуна кислородом воздуха.
Рис. 1.7. Схема Бессемеровского процесса.
Мартеновские печи появились как результат совершенствования пудлинговых печей, отапливаемых мазутом. При этом главным фактором, определившим переработку чугуна в сталь, стала такая конструкция (рис. 1.8), при контрой тепло отходящих газов утилизируется в регенераторах.
Рис.1.8 Схема мартеновской печи.
В отличие от доменного процесса, который протекает непрерывно, сталеплавильные процессы – периодические. В этих процессах берут набор исходных шихтовых материалов в определенной пропорции и заданной массы, определяемой вместимостью сталеплавильного агрегата, загружают (заливают) шихтовые материалы в сталеплавильный агрегат и совершают над ними металлургические действия по переводу их в жидкую сталь заданных состава и температуры. Такой периодический цикл называют плавкой. После завершения одной плавки и опорожнения сталеплавильного агрегата начинают следующую плавку
Все последующее развитие металлургии проходило как совершенствование этого двухступенчатого способа производства стали, который и до настоящего времени остается самым экономичным и производительным.
Следующий этап передела чугуна в жидкую сталь в агрегатах периодического действия начался с 1952 г и связан с применением кислородного дутья. Особенности этапа следующие:
- внедрение и широкое использование кислородно-конвертерного процесса (1952-1953, Австрия);
- применение кислорода для интенсификации мартеновского и электродугового процессов;
- широкое использование в целях повышения качества стали способов внеагрегатной (ковшевой) обработки жидкой стали - синтетическими шлаками или шлаковыми смесями, вакуумом, инертными газами в сочетании с микролегирующими порошками или без них, а также способов переплава стали в особых условиях (электрошлакового, вакуумно-дугового, электронно-лучевого, плазменно-дугового, вакуумно-индукционного).
Хотя уже давно ведутся попытки и большая работа по созданию способов прямого получения железа (одноступенчатым способом) вне доменной печи. Многое сделано в этом направлении, но двухступенчатый способ будет наиболее экономичным еще длительное время.