Главная → Статьи

Производство стали

В сравнении с чугуном сталь обладает лучшими механическими свойствами, что обусловлено меньшей концентрацией в ней углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Для получения стали используют шихту, в состав которой входят передельный чугун и стальной лом, а также шлакообразующие вещества, раскислители и легирующие добавки.

Передельные чугуны содержат до 4% углерода, 0,2…1,5% кремния, 0,6…3,5% марганца, 0,07…2% фосфора, до 0,08% серы. Чтобы получить мягкую строительную сталь, надо довести концентрацию углерода до 0,15…0,2%, а содержание остальных компонентов уменьшить в несколько раз. Особенно важно снизить до возможных пределов концентрацию вред-пых примесей фосфора и серы. Фосфор вызывает в сталях хладноломкость, т. е. хрупкость при пониженных температурах, а сера — красноломкость, т.е. хрупкость в условиях высоких температур, что является причиной образования трещин при горячей прокатке, ковке и сварке стали.

Концентрацию углерода и нормальных примесей уменьшают окислением и переводом их в такие соединения, которые не растворяются в расплавленном металле, а всплывают и переходят в шлак. Окислителем служит оксид железа FeO, образующийся в результате продувки расплавленного чугуна воздухом. Кроме того, FeO содержится в составе железной руды и металлолома (в виде ржавчины). Оксид железа взаимодействует с углеродом, образуя железо Fe и оксид углерода. При реакции FeO с марганцем, кремнием и фосфором также образуется железо и соответствующие оксиды: MnO, Si02, Р205. Соединения марганца и кремния не растворяются в железе и переходят в шлак, оксид углерода в виде газовых пузырей поднимается на поверхность расплава и улетучивается.

Чтобы удалить примеси фосфора и серы, которые растворены в расплавленном железе, в состав шихты вводят известь. Содержащийся в извести оксид кальция СаО взаимодействует с серой, образуя сернистый кальций CaS, а с фосфором — соединение 4СаО-Р205. Эти вещества также переходят в шлак. Удалением образовавшихся шлаков, а также лишних примесей заканчивается окислительный период плавки, называемый также периодом рафинирования. Однако в расплавленном металле еще остается значительное количество оксида железа, поэтому сталь получается красноломкой и хладноломкой.

Кроме того, при разливке стали оксид железа взаимодействует с углеродом по реакции: FeO+C=Fe+ +СО. Выделяющийся оксид углерода образует газовые пузыри, которые вызывают кипение стали у поверхности слитка. Газовые включения в толще слитка могут стать причиной образования трещин при горячей прокатке и сварке стали.

Поэтому вслед за окислением сталь раскисляют, т. е. восстанавливают, вводя в расплав вещества, более энергично соединяющиеся с кислородом, чем железо. Такие вещества называют раскислителями. К ним относятся ферромарганец, ферросилиций и алюминий.

Взаимодействуя с оксидом железа FeO, раскислители переводят его в чистое железо, а образующиеся в результате реакции оксиды марганца, кремния или алюминия переходят в состав шлаков. Чем лучше раскислена сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические свойства.

Полностью раскисленную сталь называют спокойной, частично раскисленную — полуспокойной и мало раскисленную — кипящей. В процессе разливки выплавленной стали могут образоваться усадочные раковины и другие дефекты. Для их сокращения используют особые приемы разливки.

Применяют конвертерный, мартеновский и электроплавильный способы производства стали.

Конвертерный способ наиболее распространен. Конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы, кожух которого изготовлен из стальных листов и выложен изнутри огнеупорным материалом — футеровкой. Конвертер может поворачиваться на горизонтальной оси. В днище конвертера устроены отверстия для вдувания воздуха.

В настоящее время используют в основном кислородно-конвертерный процесс выплавки стали. Ранее применявшиеся бессемеровский и томасовский процессы утратили свое прежнее практическое значение.

Кислородно-конвертерный процесс заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом в конвертерах с глухим дном. Кислород подают сверху через фурму под давлением 0,8…1,2 МПа. Весь металл в конвертере сильно разогревается, температура его в зоне действия кислорода достигает 3000 °С. Поэтому в конвертер можно вводить не только жидкий чугун, но и металлический лом, железную руду. Для удаления серы и фосфора в конвертер после разогрева металла кислородом вводят известь. Футеровку аппарата выполняют из основного материала — магнезитового кирпича.

Применение кислородного дутья вместо воздушного позволяет получать сталь с весьма низким содержанием азота и водорода. Это делает кислородно-конвертерную сталь более качественной и расширяет области ее возможного использования. Благодаря большой вместимости аппаратов, достигающей 300 т, а также высокой производительнрсти кислородно-конвертерный способ применяют во все возрастающих масштабах.

Мартеновский процесс может быть в зависимости от характера примесей в исходном сырье и типа футеровки кислым или основным. Сталь выплавляют на поду пламенной отражательной печи, т. е. такой печи, рабочее пространство которой ограничено сводом, отражающим тепловой поток. Это существенно повышает температуру в рабочем пространстве печи и делает процесс более экономичным. Топливом служат в основном горючие газы (коксодоменный или природный), реже — мазут и угольная пыль. Предварительно газ подогревают, а затем вместе с воздухом подают в печь, где в результате горения температура достигает 1600… 1650 °С.

В мартеновских печах можно получать сталь как из жидкого чугуна, так и из металлического лома и затвердевшего чугуна. Основной мартеновский процесс позволяет перерабатывать практически любые шихтовые материалы, в том числе с высоким содержанием фосфора и серы. При кислом мартеновском процессе получают сталь с меньшим содержанием газов и неметаллических включений и лучшими механическими свойствами.

Мартеновская сталь благодаря высокому качеству служит основным материалом для изготовления строительных металлоконструкций и арматурных изделий.

Электроплавильный способ заключается в расплавлении металла с помощью вольтовой дуги, образующейся между вертикально установленными угольными электродами и загруженным в печь металлом. Выплавка в электропечах — наиболее совершенный способ производства стали. Основные его преимущества: возможность получать температуру до 2000 °С и расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов — хрома, вольфрама, молибдена; возможность создавать восстановительную атмосферу и добиваться хорошего раскисления и дегазации металла. Но самое главное преимущество электроплавки заключается в том, что можно очень точно регулировать химический состав стали.

Из-за большого расхода энергии электросталь обходится дороже, чем сталь, получаемая другими способами. Поэтому в электропечах выплавляют в основном качественные и легированные стали, сплавы из тугоплавких элементов и ферросплавы.

Ваш отзыв