1.3 Способы производства стали

Современными способами производства стали являются: кислородно-конверторный, мартеновский, электродуговой, индукционный, электрошлаковый переплав и др.

В настоящее время создается принципиально новая технология производства стали путем прямого восстановления железа из руды и последующим его науглероживанием до требуемого состава.

1.3.1 Кислородно-конверторный способявляется одним из видов передела жидкого чугуна в сталь продувкой технически чистым кислородом без затраты топлива (рис. 1.2). В месте продувки кислородом температура достигает 3000⁰С (жидкого металла 1800⁰С), что способствует быстрому удалению примесей и окислению С,Mn,Si. Данный способ относится к основному процессу и позволяет использовать известь для удаления серы и фосфора. Конверторный способ позволяет переплавлять кроме чугуна (марок М1, М2, М3) скрап. Выплавляемая сталь характеризуется пониженным содержаниемN,Sи Р. Выплавляют спокойную, кипящую и полуспокойную сталь. Плавка кислородно-конверторным способом делится на пять этапов: загрузка конвертора ломом и флюсом, заливка чугуна, продувка кислородом, выпуск стали через боковую летку, слив шлака через горловину конвертора (рис. 1.3). Продолжительность плавки до 25 мин. Время продувки 12-18 мин.

Высокая температура и наличие активного известнякового шлака способствует тому, что уже в начальный период продувки интенсивно окисляются Р, С, МnиSi.

В настоящее время объем производства конверторной стали составляет 35%. Эксплуатируются конверторы емкостью 100-400 т. Производительность одного конвертора достигает 3 млн. т. стали в год. Повышение производительности достигается увеличением расхода кислорода и объемов конверторов. Расход кислорода составляет до 55 м³на 1 т. стали. Созданы также вращающиеся конверторы с продувкой чистым кислородом. В кислородных конверторах выплавляют качественную и высококачественную углеродистую сталь, а также некоторые марки легированных сталей

Рис. 1.2. Схема кислородного конвертора: 1 – корпус; 2 – футеровка (смолодоломитовый кирпич); 3 – горловина; 4 – летка.

Основными технико-экономическими показателями, характеризующими работу конвертора, являются: продолжительность плавки, ч (в конверторе емкостью 250 т – 50 мин); производительность конвертора, т/ч (400-500 т/ч при емкости конвертора 200-300 т); выход годного металла, % (90-91% от массы металлической шихты); удельный расход кислорода, м³/т (50-60 м³/т стали). Конечным показателем является себестоимость тонны стали и удельные капиталовложения. Конверторные цехи металлургических заводов с конверторами 250-300 т по сравнению с 100-тонными обеспечивают снижение удельных капитальных вложений на 11-13%, уменьшение себестоимости стали на 1,3%.

Рис. 1.3. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конверторах: а – загрузка скрапа; б – заливка жидкого чугуна; в – продувка кислородом; г – выпуск стали в ковш; д – слив шлака в шлаковую чашу.

Кислородно-конверторный способ передела чугуна в сталь является наиболее производительным, обеспечивает снижение расхода топлива, поэтому производство стали этим способом с каждым годом увеличивается. Доля кислородно-конверторной стали увеличится за счет строительства новых кислородно-конверторных цехов с емкостью конверторов до 400 т. Удельные капитальные затраты на строительство конверторных цехов на 35% ниже, чем на строительство мартеновских цехов. Себестоимость конверторной стали на 3,5% ниже мартеновской, а производительность труда в конверторных цехах на 45% выше, чем в мартеновских. В дальнейшем намечается замена некоторых мартеновских цехов конверторными.

Расчеты, проведенные для одного из действующих заводов, показали, что замена двух мартеновских цехов в составе 17 агрегатов кислородно-конверторным цехом, состоящим из трех конверторов емкостью 300 т той же мощности, позволит более чем в два раза повысить производительность труда и на 2% снизить себестоимость стали.

1.3.2 Мартеновский способ основан на плавлении чугуна (жидкого и в чушках) и скрапа (лома) пламенем газообразного топлива (доменного, коксового, природного газов) с регенерацией печ­ных газов. Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов мартеновской печи (pиc.1.4) нагревается до 1250-1300°С отходящими газами из печи. Затем движение газов меняют на противоположное. Подаваемый в печь газ и воздух, проходя через насадки регенераторов, нагревается до 1200°С. В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходящих газов.

Мартеновские печи и процессы в них могут быть основ­ными и очень редко кислыми. По шихтовому составу мартеновский способ делится на скрап-процесс и скрап-рудный процесс.

Основной скрап-процесс используется обычно на машино­строительных предприятиях. Объем печей составляет до 100 т. Выплавляют сталь повышенного качества. Исходными материалами являются металлический лом (55-75%), чугун в чушках, флюс СаСО₃, раскислители (ферросплавы), окислители (железная руда).

Процесс выплавки состоит из следующих основных стадий: заправка печи и ремонт футеровки, завалка шихтовых материалов, плавление, раскисление и доводка стали.

Основной скрап-рудный процесс применяется на больших металлургических заводах, где существует производство чугуна. Объем печей до 900 т. Исходной шихтой является: жидкий чугун (60-75%) скрап (25-40%), повышенное содержание руды и флюса. Процесс выплавки происходит как и при скрап-процессе. Выплав­ляют только углеродистые стали, менее качественные, чем при скрап-процессе, что объясняется использованием менее качествен­ной шихты. Этим способом выплавляют 75% мартеновской стали.

Рис. 1.4. Мартеновская печь.

Основными показателями мартеновской печи являются съем стали с 1м² подины печи в сутки, который составляет 9-12 т/м , а также удельный расход топлива на I т выплавляемой стали. Эксплуатируются печи объемом до 900т, производительностью 650 тыс.т стали в год.

Основными показателями, характеризующими работу мартеновских печей являются: съем стали с 1 м² площади пода в сутки (в среднем составляет 8-12, при интенсификации процесса 20-30 т/м²), расход металлошихты на 1 т годных слитков (1050-1200 кг), выход годного (91-95%), расход условного топлива на тонну стали (10-20% от веса выплавляемой стали), выплавка стали на одного рабочего (в крупных мартеновских цехах, работающих скрап-рудным процессом, 2000—3000 т стали в год), себестоимость 1 т мартеновской стали. На все эти показатели существенное влияние оказывает организация работы в цехе.

Несмотря на преимущественное развитие кислородно-конверторного производства, больше половины всей стали еще выплавляется в мартеновских печах.

Основное внимание уделяется интенсификации мартеновского процесса и повышению качества выплавляемой стали. Основные направления интенсификации мартеновской плавки — это комплексное использование кислорода (ввод кислорода в зону горения топлива и через водоохлаждаемую фурму прямо в металл, что повышает производительность печи на 25—50%); перевод печей на отопление высококалорийным топливом; применение новых высокоогнеупорных материалов; улучшение организации производства (высокие скорости завалки шихты, оборудование для разливки большого числа плавок и др.); разработка новых конструкций печей; автоматизация и комплексная механизация производства.

При использовании кислорода как интенсификатора плавки считается целесообразным перестройка обычных мартеновских печей на двухванные. В обе ванны поочередно загружают шихту (около 50% жидкого чугуна) и организуют работу в спаренных печах. Таким образом, когда в одной печи начинают продувку кислородом, во второй начинают завалку. При продувке выделяется оксид углерода, которая догорает под загруженной шихтой, ускоряя процесс ее нагрева и плавления.

В настоящее время достигнуты наиболее высокие технико-экономические показатели работы двухванных печей. Двухванные печи имеют производительность до 1,5 млн. т стали в год при удельных расходах топлива до 5 кг/т и кислорода до 55 м³/т.

1.3.3 Электросталеплавильные способы получения стали. Эта способы являются наиболее совершенными, позволяют выплавлять стали самого высокого качества. Применение основных шлаков и высокая температура процесса (2000°С) обеспечивает наиболее полное удаление серы и фосфора. Основными способами являются плавка в электродуговых и индукционных печах.

Электродуговая плавка (рис. 1.5) состоит в том, что для нагрева и расплавления шихтовых материалов служит электрическая дуга, возникающая между тремя электродами печи.

Электродуговую плавку проводят в основной печи с окислением примесей и без окисления примесей. При плавке с окислением примесей, состав шихтовых материалов не соответствует составу получаемой стали. Для ускорения окисления добавляют руду и известь. При плавке без окисления примесей шихта должна содержать меньше Si, Mn, P. По сути это переплав.

После расплавления металла проводят рафинирование (очистку и раскисление). В случае рафинирования под белым шлаком, образуемого известью, плавиковым шпатом получают стали с малым содержанием углерода, а также высокого качества конструкционные стали. При рафинировании под карбидным шлаком (СаС₂) хорошо удаляется сера. Получают инструментальные и шарикоподшипниковые стали.

При рафинировании под магнезиально-кремниземистым шлаком (CaO, MgO, SiO₂, Al₂O₃) повышается стойкость футеровки, что позволяет применять более высокие температуры. Получают высоко и среднелегированные стали (кислоупорные, жаростойкие и нержавеющие). После рафинирования проводят науглероживание и доводку металла.

Технико-экономическими показателями электродуговой плавки являются: удельный расход электроэнергии на тонну выплавляемой стали (400-850 кВт∙ч/т), электродов (6-8 кг/т), продолжительность плавки (3-7 час). Объем печей составляет от 5 до 200 т.

Рис. 1.5 Схема дуговой электропечи: 1 – дуга; 2 – выпускное отверстие; 3 – электроды; 4 – свод печи; 5 – рабочее окно; 6 – корпус.

Для повышения производительности печей намечается значительно увеличить мощность печных трансформаторов (для 200-тонных печей до 80-120 тыс. кВ·А). Предусматривается широкое использование кислорода с установкой автоматизированных фурм, применение газокислородных горелок и вдувание порошкообразных материалов. Электропечи будут оборудованы установками электромагнитного перемешивания и устройствами для измерения температуры металла. Большое внимание уделяется использованию металлизированного сырья в шихте электропечей. При 80%-ном содержании металлизированного сырья производительность печей повысится на 20-30%. В настоящее время ведутся работы по созданию 500-600-тонных электропечей с шестью электродами.

Разновидностями электродуговой плавки являются: электродуговой вакуумный переплав, электрошлаковый переплав, а также плазменная дуговая плавка. Эти способы основаны на переплавке и рафинировании стали в виде прутков и электродов, а также стружки с целью получения сталей особо высокого качества.

Электроиндукционная плавка производится в индукционной печи (рис. 1.6). Эта печь представляет собой тигель объемом от 0,5 до 30 т, вокруг которого расположен многовитковый индуктор. При пропускании через индуктор тока высокой частоты в металле, находящемуся в тигле, возникают вихревые токи, что обеспечивает плавление металла.

Исходные материалы (отходы легированных сталей) соответствуют составу получаемой стали. Емкость печей – от 50 кг до 25 т. Печи могут быть основными и кислыми. Плавка протекает быстро, происходит интенсивное движение металла под действием электромагнитного поля. Получают обычно высоколегированные стали. Внутри печи можно легко создать вакуум или защитную газовую атмосферу. Удельный расход электроэнергии составляет 600-700 квт.ч/т.ст.

Рис. 1.6 Схема индукционной электропечи: 1 – металл; 2 – съемная крышка; 3 – сливной носок; 4 – индуктор; 5 – тигель.

1.3.4 Разливка стали. Выплавленную в печи сталь выпускают в сталеразливочные ковши объемом до 400 т. Затем их транспортируют на вакуумную обработку и разливку в слитки. Разливка стали может проводится периодически в изложницы или непрерывно в медные кристаллизаторы (рис. 1.7) при температурах 1540-1560^оС.

Периодическую разливку в изложницы производят сверху или снизу. Если необходимо разливку производят в среде инертного газа или в вакууме под слоем синтетического шлака. Разливка сверху производится для получения крупных слитков, а снизу (сифоном) - мелких (рис. 1,7 а, б).

Непрерывная разливка стали основана на получении слитка непрерывной длины (рис. 1,7, в). Данный метод позволяет получать слитки с мелкозернистой структурой, без усадочных раковин, не требуются изложницы. Получают слитки, которые сразу можно прокатывать на сортовых станах.

Рис.1.7. Разливка стали: а) в изложницы свержу; б) снизу (сифоном); в) непрерывная разливка.

1.3.5 Строение стальных слитков. После затвердения жидкой стали в изложнице образуется стальной слиток. В результате соприкосновения жидкой стали со стенками и днищем изложницы она быстро охлаждается, строение ее получается неоднородным. В зависимости от скорости и направления охлаждения кристаллические зерна имеют различный размер и направление (рис.1.8, а). При затвердевании проявляется химическая неоднородность (ликвация) С, S и Р. В зоне мелких кристаллов мало примесей С, S и Р, в зоне столбчатых кристаллов их больше, а в зоне беспорядочно ориентированных - еще больше. Ликвация является следствием непрерывной обогащения жидкой фазы примесями при переходе стали в твердое состояние.

Строение слитков спокойной и кипящей стали различное (рис. 1.8). Спокойная сталь после разливки затвердевает спокойно без признаков выделения газов. Формируется плотный слиток в верхней прибыльной части, которого образуется усадочная раковина и осевая рыхлость. Объем прибыльной части составляет 14-22%, она после прокатки обрезается. Также обрезается загрязненная донная часть (объем 1-3%).

В слитке кипящей стали остаются газовые раковины на расстоянии от поверхности 18-25 мм, которые образовались в результате выделения СО по реакции FeO+C=Fe+CO. Вследствие хорошего перемешивания стали в изложнице, в результате кипения усадочная раковина отсутствует. Кипящие стали содержат 0,08~0,25%С, мало Mn и Si. Хорошо свариваются и штампуются. Однако, имеют большую ликвацию S, Р, С, чем спокойные стали.

В слитке полуспокойной стали нижняя половина плотная, а в верхней частично остаются пузыри, но в меньшем количестве, чем в кипящей стали. Имеется также небольшая усадочная раковина.

1.3.6 Сравнительная характеристика способов производства стали. Выбор способа производства зависит от ряда технических и экономических факторов. Предпочтение отдается тому способу производства, который позволяет получить сталь необходимого состава, высокого качества и меньшей себестоимости.

В сталеплавильных агрегатах с кислой огнеупорной футеровкой получают сталь более высокого качества, чем с основной. При кислом процессе восстановленный из шлака или подины печи кремний раскисляет сталь и обеспечивает получение стали с более высокими механическими свойствами, чем основная. Но для кислого процесса требуется высококачественная дорогостоящая шихта с минимальным содержанием серы и фосфора (менее 0,03%), поэтому наибольшее применение получили основные способы получения стали, не требующие высококачественной шихты.

спокойную сталь всего металлургического ассортимента (рельсовую, канатную, арматурную и др.). Осваивается также выплавка в этих печах высоколегированных сталей. Стоимость конверторной стали по сравнению с мартеновской на 3-5% ниже.

Мартеновский способ дает возможность получать качественную сталь независимо от исходного сырья, но при этом высококачественную сталь выплавлять трудно, а некоторые сложнолегированные просто невозможно получить из-за окислительной атмосферы печи.

При выборе способа получения стали следует учитывать и географический фактор. Там, где имеются источники дешевой электроэнергии, выгоднее получать сталь в электропечах. На заводах с полным металлургическим циклом и большим количеством лома могут оказаться более выгодными конверторный или мартеновский способы получения стали.

Рис. 1.8. Строение слитков: а) спокойная сталь; б) распределение пустот в слитке кипящей стали.

В настоящее время в кислородных конверторах выплавляют кипящую и

1.3.7 Улучшение качества сталей предусматривает уменьшение в металле вредных примесей, газов, неметаллических включений путем внепечного рафинирования. В настоящее время широко применяют несколько способов рафинирования.

1. Продувка металла в ковше инертными газами или окислительными смесями. В результате продувки стали аргоном уменьшается содержание водорода, кислорода, неметаллических включений, повышается пластичность и жидкотекучесть.

2. Обработка металла синтетическим шлаком заключается в следующем. Синтетический шлак, состоящий из 55% СаО, 40% Al₂O₃, небольшого количества SiO₂, MgO выплавляют в электропечах и заливают в ковш. В этот же ковш затем заливают сталь. При перемешивании стали и шлака поверхность их взаимодействия резко возрастает и реакции между ними протекают намного быстрее, чем в плавильной печи. Благодаря этому сталь, обработанная таким способом, содержит меньше серы, кислорода и неметаллических включений, улучшаются пластичность и прочность стали.

3. Вакуумирование стали проводят для понижения концентрации кислорода, водорода, азота и неметаллических включений. Существует несколько способов вакуумирования стали: вакуумирование в ковше, циркуляционное вакуумирование, проводимое на специальной установке, поточное вакуумирование, применяемое при непрерывной разливке стали.

4. Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) осуществляется в вакуумно-дуговых печах с расходуемым электродом, которым является заготовка очищаемой стали (слиток, прокат). Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Из них изготавливают ответственные детали турбин, двигателей, авиационных конструкций.

5. Электрошлаковый переплав (ЭШП) применяется для выплавки высококачественных сталей для шарикоподшипников, жаропрочных дисков и лопаток турбин, валов компрессоров и авиационных конструкций.

Переплаву подвергают слитки, выплавленные в дуговой печи и подвергнутые прокатке. Источником теплоты при ЭШП является шлаковая ванна, нагреваемая при прохождении через нее электрического тока. Шлаковая ванна оплавляет концы электродов. Капли жидкого металла, проходя через шлак, вступают с ним в активное взаимодействие. При этом происходит их рафинирование с образованием нового слитка, характеризующегося высокой плотностью металла и высокими механическими свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1. Сущность кислородно-конверторного способа плавки стали.

2. Какие стали выплавляют в кислородных конверторах?

3. Основные технико-экономические показатели работы конвертора.

4. На чем основан мартеновский способ плавки стали?

5. Как подразделяется мартеновский способ по шихтовому составу?

6. Основные технико-экономические показатели мартеновских печей.

7. Пути интенсификации мартеновского процесса.

8. Сущность и технико-экономические показатели электродуговой плавки стали.

9. Сущность и технико-экономические показатели электроиндукционной плавки стали.

10. Способы рафинирования стали.