Производство жидкой стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основные этапы развития сталеплавильного производства

Несмотря на постоянный рост производства цветных металлов и пластмасс доля стали в общем объеме конструкционных материалов в течение многих десятилетий находится на постоянно высоком уровне, который составляет примерно 90%. Конечно, железный век начался ни тогда, когда человек познакомился с железом, а когда научился получать его из руды.

Первоначально это был сыродутный процесс. Сущность этого способа получение железа заключается в том, что железную руду с древесным углем загружают в горн, уголь разжигают и снизу подают дутье. По мере сгорания угля руда опускается вниз, разогревается и, вступая во взаимодействие с восстановительным газом и углеродом, оксиды железа восстанавливаются до железа. Ввиду того, что использовалось сырое (не подогретое) дутье, температура в горне не превышала 1300 - 1350?С, продуктом плавки было тестообразное железо-крица. Из-за низкой температуры оно не науглероживалось. Полученный металл подвергали ковке для удаления шлаковых включений и придания ему формы изделия.

Такие горны обнаружены археологами во многих местах, где имеются месторождения железной руды.

На этом этапе процесс получения железа был одностадийным.

В настоящее время одностадийный процесс получил новый импульс в своем развитии. Разработано и используется несколько методов прямого восстановления железа. Полученное здесь железо используется как первородная, не содержащая примесей цветных металлов, шихта при производстве качественных марок стали и сплавов.

Интересно, что описанный способ производства железа применяется и в наше время. В журнале «Вокруг света», 1980 г., №9 рассказывается о встрече с африканцем из Анголы, который бал потомственным металлургом и так описал производство железа:

«Старик немного помолчал, потом продолжил:

- Меня зовут Мкондези Муррима. Я родился в дистрикте Мозамбик, где столицей город Нампула, в далеком селении Намавука посреди саванны. Неподалеку от нашей деревни текла река.

Мой отец был металлургом. И дед тоже. Пожалуй, и другие наши предки плавили железо.

Тогда, сеньор, это была не просто работа, как сейчас. Люди боялись жить рядом с нами: считали, что мы умеем заговаривать камни. Только сыну отец-металлург мог доверить тайну извлечения металла. Чему-то другому сына «колдуна» вряд ли кто взялся бы учить. И мы тоже не учили никого из посторонних. Главное у нас - хранить профессиональную тайну.

Наше селение стоит среди холмов. Невысокие, поросшие кустарником и деревьями, они тянутся далеко-далеко, до самого великого озера Ньяса. Горы - значит камни. Часть секрета нашей профессии в этих камнях. «Мурава» - так называется этот камень красного цвета, в котором запрятан металл.

Когда руду находили, ее бережно клали на специальные носилки - «никула», сделанные из коры дерева, и осторожно несли к печи, что располагалась на берегу реки в укромном месте. Ее строили так, чтобы никто не знал и не мог подсмотреть, как работает металлург. Считалось, что ремесло дано нам богами и только боги - с помощью отца или деда - могут научить нового человека.

Обычно металлурги строили печь внутри термитника. Это удобно - не надо выкладывать стены. Но иногда ее строили из камня. Внизу оставляли отверстие - поддувало.

Второй наш секрет - дерево. У нас говорили: дерево и камень, должны полюбить друг друга. Тогда получится металл. Если этого не произойдет, толку не будет. Поэтому искали подходящие деревья. Обычно они растут где-нибудь в низине, ближе к реке. У годной для печи древесины много имен - мукарара, муака, мукала. Она горит жарче, чем любая другая. Вот в раскаленные угли мукарара и клали руду, а третьим был белый порошок, который добывали из жилища муравьев, называемых «овексе». Он помогал жаркому огню мукарара вытянуть металл из камня. И еще один важный помощник - ветер. Его создавал при помощи шкуры антилопы пала-пала человек, стоящий у поддувала. Ветер запускали внутрь печи через полую бамбуковую палку, соединенную с большим мешком из шкуры. В единственное узкое отверстие и вставляли бамбуковую трубку.

Сколько времени занимала плавка? Не догадаешься! От восхода до захода солнца. Только когда солнце скрывалось за верхушками деревьев, внутри печи среди горящих углей образовывался раскаленный до бела шар. Это и был металл. Не всегда мурава превращалась в такой шар - бывало, распадался он на кусочки. Видно, люди плохо попросили камень, и он не захотел превратиться в железо. Но если уж огненный шар лежал на углях, значит, наши мольбы были услышаны. Тогда просмоленными палками железо доставали из печи и несли к воде остужать. Потом шар сплющивали и делили на нужное количество кусочков. Тут наша работа заканчивалась, и за дело брались кузнецы.»

По мере совершенствования сыродутного процесса увеличивалась высота горна, стали использовать подогретое дутье. В результате повысилась температура процесса до 1400?С и продолжительность пребывания металла в горне. Следствием этого стало заметное науглероживание железа. Продуктом плавки стал чугун, а не низкоуглеродистая крица. Было также замечено, что при повторной загрузке чугуна в горн совместно с рудой получается низкоуглеродистое железо. Так появился двухстадийный процесс: вначале получали чугун, затем низкоуглеродистое железо-сталь.

Этот процесс получил название кричного и заключается он в расплавлении чугуна в огнеупорном горне на древесном угле с одновременным окислением примесей чугуна кислородом дутья и оксидами шлака.

После того как уголь в горне разгорится, на него помещают куски чугуна и богатую железную руду или окислительный шлак. Температура в горне достигает 1400?С, что достаточно для расплавления чугуна. Жидкий металл вступает во взаимодействие с кислородом дутья и оксидами шлака, и происходит окисление примесей чугуна. По мере снижения концентрации углерода повышается температура плавления металла. Температура в горне не превышает 1400?С, а температура плавления низкоуглеродистого железа составляет примерно 1500?С, поэтому на дне горна скапливается тестообразная масса, которую скатывают в ком, извлекают из горна и направляют на дальнейшую переработку.

Готовая крица содержала (% по массе):

т.е. металл был чист по сере и фосфору, что возможно в случае использования низкофосфористого чугуна и древесного угля.

Низкая производительность и дороговизна кричного передела, массовое уничтожение лесов заставили искать более совершенный способ получения железа. Кричный процесс исчез в конце ХIX - начале ХХ в.в.

В 1784 г. англичанин Г. Корт предложил получать сталь окислительным плавлением чугуна на поду отражательной печи - так называемый пудлинговый процесс.

Он осуществляется таким образом. На подину печи загружают подогретый чугун, железную руду или окалину. После расплавления чугуна его начинают «вымешивать», обеспечивая тем самым увеличение контакта между металлом и шлаком и ускоряя выгорание примесей.

По мере выгорания примесей повышается температура металла и одновременно повышается его температура плавления. Как только температура металла достигает температуры печи, при дальнейшем снижении концентрации углерода из расплава выпадают кристаллы наиболее чистого по углероду металла с высокой температурой плавления. По окончании обезуглероживание производили накатку криц. Комья по 30-50 кг извлекали из печи и направляли на дальнейшую переработку.

Недостатками пудлингового процесса являются: низкая производительность, высокий расход топлива, невозможность получения жидкого металла.

Наиболее древним способом получения жидкой стали является тигельный. Сущность его в следующем. В огнеупорный тигель загружают шихту, состоящую из кричного железа, углерода, марганцевой руды и других добавок. Закрытый тигель помещают в горн или пламенную печь. Вначале идет процесс окисления содержащихся в шихте примесей, затем по мере повышения температуры кремний и марганец восстанавливаются в металл. В результате получается сталь с низким содержанием неметаллических включений и газов и с высоким уровнем механических свойств. Этот металл сочетает в себе высокую прочность, твердость и пластичность, т.к. при охлаждении стали с содержанием углерода 1.2 - 1,5% в тигле образуются микроскопические частицы карбида железа Fe3C с содержанием 6,67% углерода, окруженные низкоуглеродистым сплавом.

Считают, что по такой технологии выплавляли булатную сталь. Секрет этой технологии был раскрыт Аносовым, который возродил производство булата в 1817 - 1847 гг. на Златоустовском, Путиловском и Обуховском заводах.

Тигельный способ малопроизводительный, дорогой и требует исходных материалов высокой чистоты.

В 1856 французский инженер Генри Бессемер предложил высокопроизводительный процесс получения стали из жидкого чугуна путем продувки последнего воздухом в агрегате грушевидной формы - конвертере. Конвертер Бессемера имел кислую футеровку (из кварцевого песка - SiO2), поэтому был пригоден для переработки чугуна с низким содержанием S и Р, т.к. эти элементы в кислых процессах не удаляются.

Томасовский процесс. В 1878 г. англичанин Томас предложил изготавливать футеровку конвертера из основного огнеупора - доломита, что позволило перерабатывать в конвертерах чугун с высоким содержанием S и Р, т.к. наличие основной футеровки сделало возможным работу на основных шлаках.

Мартеновский процесс. Рассмотренные способы производства стали не были приспособлены для переработки металлических отходов и лома в значительных количествах. А развитие промышленности шло таким образом, что накапливались все новые и новые количества металлолома. Например, в виде отходов прокатного производства, металлообрабатывающей промышленности, амортизация железнодорожных рельсов. Наличие запасов (ресурсов) лома при отсутствии его потребления явилось предпосылкой создания нового сталеплавильного процесса - мартеновского, предложенного Пьером Мартеном в 1865 г. Сущность мартеновского способа - выплавка стали из чугуна и железного лома на поду регенеративной пламенной печи. В конструкции печи был использован принцип регенерации тепла отходящих газов и подогрева за счет этого тепла, воздуха и газа, предложенный Сименсом. Поэтому в литературе можно встретить и другое название процесса - сименс-мартеновский. Наличие внешнего источника тепла открыло неограниченные возможности для переработки металлолома.

Конвертерные и мартеновский способы явились базой, обеспечившей бурный рост выплавки стали в промышленно развитых странах. Менее чем за 100 лет, с 1868 г. по 1960 г. производство стали увеличилось в 1000 раз, с 330 тыс. тонн до 346 млн. тонн.

Электропечной способ. Процесс производства стали в дуговых печах возник в 1910 г. и развивался как наиболее дешевый и производительный способ выплавки качественной стали, успешно конкурировавший с тигельным. Например, в 1918 г. в США производство электростали в 8 раз превышало производство тигельной стали.

В последние десятилетия электросталеплавильное производство развивается особенно бурно, чему способствовало создание сверхмощных ДСП садкой до 400 т., оборудованных трансформаторами с мощностью 700-800 КВ.А/т. При этом стало экономически выгодным выплавлять не только легированные, но и углеродистые стали общего сортамента.

Кислородно - конвертерный процесс. Недостатком мартеновского процесса является низкая производительность. Поэтому представляет интерес разработка такого процесса, который сочетал бы в себе преимущества мартеновского и конвертерного способов производства стали. Такая задача была решена компанией VЦST (Австрия) в 1952 г., когда в городе Линце, а в 1953 г. и в г. Доновице были пущены в эксплуатацию конвертерные цехи с верхним кислородным дутьем. Процесс этот получил название LD - первые буквы слов Linz Dьsenferfahren - фурменный процесс в Линце. Опыт показал, что в таких конвертерах можно перерабатывать до 25% металлолома, металл по качеству не уступает мартеновскому, процесс высокопроизводительный. Производство жидкий сталь

Следует отметить, что идея использования кислорода при выплавке стали, высказывалась и Г. Бессемером, и Д.И. Менделеевым. Первые промышленные опыты по продувке чугуна технически чистым кислородом были проведены в 1937 г. Н.И. Мозговым. В 1946 - 1949 г.г. обширное исследование в этом направлении были проведены под руководством академика И.П. Бардина.

В настоящее время разработан ряд разновидностей кислородно-конвертерного процесса, включая процессы с нижним кислородным дутьем и комбинированные: с нижним и верхним кислородным дутьем, с продувкой металла кислородом и природным газом, аргоном и др.

На сегодняшний день кислородно-конверторный процесс является основным способом производства стали, он постоянно совершенствуется и вытесняет морально устаревший мартеновский процесс.

Это объясняется целым рядом факторов: более высокой производительностью агрегатов, меньшими капитальными затратами на единицу продукции, легкостью механизации и автоматизации процесса, органическим сочетанием цикла выплавки стали с циклом непрерывной разливки плавки.

Идея непрерывной разливки стали впервые была высказана Г. Бессемером, предложившим осуществлять бесслитковую прокатку, заливая сталь в калибр определенного сечения между вращающимися валками. Реализация идеи и ее освоение началось через столетие, когда в 1960 г. на Донецком металлургическом заводе была пущена в эксплуатацию 4-х ручьевая установка вертикального типа, рассчитанная на разливку стали из 140-тонного ковша.

В наше время основными направлениями технического прогресса в сталеплавильном производстве являются:

- увеличение объема выплавки стали кислородно-конвертерным и электродуговым методами;

- широкое внедрение способов внепечной обработки стали, обеспечивающих увеличение производительности сталеплавильных агрегатов и повышение качества металлопродукции;

- разливка стали непрерывным способом, что позволяет увеличить выход годных заготовок, повысить их качество и упростить организационную структуру сталеплавильных цехов и металлургических заводов в целом.

2. Общая характеристика сталеплавильных процессов

Шихтовые материалы для выплавки стали

Задачей сталеплавильных процессов является получение металла со строго заданным химическим составом из разнородной по составу шихты.

В состав шихты входят металлические и неметаллические материалы.

Металлическая часть шихты включает жидкий и твердый передельный чугун, металлический лом и шихтовую заготовку.

В зависимости от содержания элементов чугун подразделяют следующим образом:

· на две группы по содержанию марганца (I гр. - до 1,0, II гр. - > 1,0% Mn);

· на три класса по содержанию фосфора (класс А ? 0,15, класс Б ? 0,20, класс В ? 0,3% Р);

· на три категории по содержанию серы (I категория ?0,03; II категория ?0,05; III категория ?0,07% S).

Содержания углерода в чугуне не указывается, т. к. оно определяется содержанием других компонентов, в первую очередь кремния, марганца и фосфора. Обычно содержание углерода колеблется в пределах 3,5… 4,2%.

Марганец в чугуне оказывает положительное влияние на процессы шлакообразования и десульфурации при выплавке стали. Однако до 90% его содержания окисляется, переходя в шлак, и теряется со шлаком. Из-за дефицита марганца в настоящее время используются маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,15 - 0,40%.

Кремний оказывает значительное влияние на ход сталеплавильных процессов. С увеличением содержания кремния в чугуне улучшается тепловой баланс плавки и возможна переработка большого количества металлолома. При этом, однако, увеличивается расход извести и количество шлака, т.к. на связывание кремнезема в соединении 2СаО SiО2 требуется 5,7% СаО при содержании 0,5 Si и 10,2% СаО при содержании 1,1% кремния в чугуне. Одновременно снижается процент выхода жидкой стали, т.к. весь кремний окисляется и переходит в шлак. Поэтому оптимальным считают содержание кремния в чугуне 0,5…07%.

Сера - вредная примесь. Она снижает пластичность (относительное удлинение, относительное сужение, ударную вязкость), сообщает стали красноломкость, понижает свариваемость, способствует образованию различного рода трещин. Поэтому содержание ее в чугуне ограничивают 0,07%.

Фосфор улучшает тепловой баланс плавки, и в томасовском процессе реакция его окисления является главным источником тепла. Однако стали он сообщает хрупкость, синеломкость, ухудшает свариваемость, поэтому его содержание в чугуне ограничивают.

Доля чугуна в металлошихте при выплавке стали в мартеновских печах составляет 55 - 60, в кислородных конвертерах - 75 - 80, в дуговых электропечах 5 -7%.

Металлический лом бывает оборотный и привозной. Оборотный образуется на самом металлургическом заводе. Это различного рода отходы, скрапины, недоливки, сифонные летники и проводка, прокатная обрезь. Привозной лом поступает от сборных пунктов и предприятий вторчермета.

Металлолом подразделяют по видам: стальной, чугунный, доменный присад; по категориям: нелегированный и легированный; по химсоставу - 53 группы; по чистоте и габаритам - 3 класса.

В электросталеплавильном производстве кроме чугуна и металлолома используют шихтовую заготовку, чтобы облегчить выплавку легированной стали на отходах. Это выплавляемый в мартеновских печах или кислородных конвертерах металл, в котором регламентируется содержание углерода, серы и фосфора. Загружают его в виде металлических болванок толщиной 200…250 и длиной 1000…1200 мм.

Помимо перечисленных материалов в шихте электросталеплавильных печей используют продукты прямого восстановления - губчатое железо или металлизованные окатыши. В них содержится (вес. %) : 85 - 95 железа; 0.1…0,8 углерода; 0,01...0,03 фосфора; 2,0…8,0 кремнезема. Это упоминавшаяся ранее незагрязненная примесями цветных металлов первородная шихта. К неметаллической части шихты относят твердые окислители, шлакообразующие материалы и флюсы.

В качестве твердых окислителей используют железную руду, прокатную окалину, окатыши и агломерат. Их используют для ускорения окисления углерода, кремния марганца и фосфора. Главное требование к этим материалам - высокое содержание оксидов железа и низкое содержание пустой породы.

Газообразные окислители - воздух и технический кислород

Для образования шлакового покрова с нужными физико-химическими свойствами используют известняк, доломит, известь, боксит, шамотный бой, плавиковый шпат, железофлюсы.

Известняк (СаСо3) используют для образования шлака во время плавления в мартеновских и электропечах. Он требует дополнительных затрат тепла на разложение (по сравнению с известью), а выделяющийся углекислый газ перемешивает металл и способствует выравниванию состава и температуры в объеме металлической ванны.

Известь (продукт обжига известняка) имеет следующий химический состав (масс. %);\: 88…- 93 СаО, около 2MqO и SiO2, 3(F2O3 + Al2O3), не более 0,1 S. Чем выше содержание СаО и ниже содержание SiO2 и серы, тем выше качество извести.

Для разжижения шлака используют боксит (20…-60% Al2O3, 15…- 45%FeO, 5..20 SiO2), шамотный бой (35% Al2O3, 60% SiO2), плавиковый шпат (95…-95% Са F2 до 5% SiO2). Эти материалы используют для придания шлаку нужных физико-химических свойств и известны под названием флюсы.

Ферросплавы - это особая группа материалов промышленного производства, используемых на заключительных этапах выплавки стали для ее раскисления и легирования.

Самостоятельного значения ферросплавы не имеют.

Это сплавы с одним или несколькими элементами, обладающими в ряде случаев более высоким, чем железо, сродством к кислороду и придающими стали необходимые физические и служебные свойства - это ферросилиций, ферромарганец, феррохром, силикокальций и др.

Все сталеплавильные процессы окислительные, т.е. проводятся при парциальном давлении кислорода в атмосфере агрегата в сотни раз более высоком по сравнению с равновесным в металле. Вследствие этого во время плавления шихты происходит полное или частичное окисление практически всех примесей металлошихты. На заключительном этапе плавки, после достижения требуемой температуры, в металл вводят необходимое количество нужных компонентов.

Все сталеплавильные процессы для своего осуществления требуют затрат тепла. В зависимости от источника поступления тепла сталеплавильные процессы подразделяют на конвертерные, подовые и электропечные.

Конвертерные процессы осуществляют за счет тепла, выделяющегося при окислении примесей жидкого чугуна при его продувке воздухом или техническим кислородом. Это бессемеровский, томасовский и кислородно- конвертерный процессы.

Подовые процессы осуществляются за счет внешнего источника тепла. Топливом для их осуществления могут быть: природный газ, мазут, коксовый газ, смесь коксового и доменного газов. Их сжигают в рабочем пространстве мартеновских и двухванных печей. Это мартеновский процесс и его разновидности.

В электросталеплавильных процессах выплавку стали осуществляют за счет преобразования в дуге электрической энергии в тепловую.

Во время плавки металл находится в контакте с огнеупорной футеровкой агрегата, которая оказывает значительное влияние на состав образующегося шлака и ход реакций. В зависимости от того, какие оксиды составляют основу используемых для футеровки печи или конвертера огнеупоров (SiO2, MqO, CaO), процессы выплавки подразделяют на кислые и основные.

Кислые процессы реализуются в агрегатах, основу футеровки которых составляет кислотный оксид кремния SiO2.

Основные - в агрегатах, футеровка которых состоит из оксидов с основными свойствами MqO и CaO.

В агрегатах с кислой футеровкой образуются шлаки с содержанием SiO2 40…- 60%, которые не вступают во взаимодействие с серой и фосфором, поэтому удаление этих вредных примесей из металла не происходит.

В агрегатах с основной футеровкой в шлаках содержится значительное количество свободного оксида кальция СаО, который связывает серу и фосфор в соединение CaS, 4CaOP2O5, 3CaOP2O5 , обеспечивая тем самым десульфурацию и дефосфорацию металла.

Размещено на Allbest.ru