• +7 (495) 730 31 40

    Контакт с администрацией портала

  • Новости

  • Аналитика

  • Публикации

  • Госты

  • Металлургический калькулятор

  • Металлургический справочник

  • Конференции

  • Полезные материалы

  • Списки

  • Индекс цен

  • Индекс цен LME

Производство стали

24.08.2016

Сплавы железа с другими элементами, прежде всего с углеродом, называются сталями. С учетом возможности легирования стали разнообразными добавками, сталью принято считать сплав железа и углерода с добавками, содержащий минимум 45 % железа. Процентное содержание углерода в сталях варьируется от 0,01 до 2,14 процентов. Сталь получают металлургическим переделом чугуна, уменьшая содержание углерода и других примесей (серы, фосфора, кремния, марганца и др.) путем их выборочного окисления и дальнейшей переработки в шлак и газы в результате плавки. Железо окисляется взаимодействием чугуна и кислорода, снижая процентное содержание углерода и других примесей. Оксид железа, образующийся при высоких температурах, передает кислород активным примесям, окисляя их. При возникновении излишней закиси железа, способной сделать сталь более хрупкой, проводят раскисление стали, вводя ферросплавы (марганцевые, алюминивые, кремнивые). Всплывающие в результате этих реакций оксиды введенных металлов убираются со шлаком.

Производство сталиСталь, полученную в результате раскисления, классифицируют следующим образом:

• Спокойная сталь - сталь раскисленная максимально. Ввод значительно количества раскислителей связывают весь имеющийся кислород. Сталь застывает без газовыделения. Получившийся материал характеризуется однородным, плотным составом. Качество и цена такой стали выше, чем у других разновидностей.

• Кипящая сталь. Ее разливка в слитки проходит с бурлением пузырей углекислого газа. Она раскислена марганцем лишь частично. Отличается хрупкостью при температуре 10 градусов Цельсия. Цена кипящей стали ниже, чем у спокойной.

• Полуспокойная сталь. По своим свойствам находится между спокойной и кипящей сталями.

Различные методы окисления углерода определяют основные способы производства стали: конверторный, электротермический и мартеновский.


Мартеновский способ

Этот вариант производства стали в 1864 году изобрел француз - Пьер Мартен. Способ основан на использовании особой печи. Нагрев стали в ней до необходимых температур (1600 градусов Цельсия и выше) проводят с помощью предварительно нагретых газов.

Печь представляет собой плавильную ванну оснащенную камерами регенераторов, в которых и проводят предварительный нагрев воздуха и дополнительного газового топлива. Регенераторы работают парами, когда первая пара нагреется печными газами, воздух и горючий газ вдуваются в печь через вторую пару регенераторов. Затем, пока нагревается следующая пара, газовый поток направляют в противоположную сторону.

Перед началом процесса плавки, ванну заполняют необходимым количеством исходных материалов: чугун в чушках, стальной скрап, железная руда, известняк. Расплавление металла происходит путем контакта загруженного сырья со струей раскаленных газов. Через выпускные отверстия готовый металл выходит из печи. Сами отверстия на время плавки забивают глиной с огнеупорными свойствами.

Плавильные ванны мартеновских печей производят до 500 тонн стали за один заход. Сам процесс переработки чугуна довольно медленный и длится 6 – 7 часов.

Главное достоинство мартеновского способа – возможность регулировки химического состава изготавливаемой стали. Для этого к чугуну добавляют железную руду и лом в нужных пропорциях. Возможно производство и легированных сталей, которые получают добавлением в конечной стадии плавки соответствующих металлов или сплавов.

Основные недостатки этого способа – периодичность процесса, сложное оборудование, повышенная цена конечного продукта.

Для повышения эффективности выплавки стали этим способом используют дополнительное обогащение кислородом, что улучшает производительность печей до 30 %. Применяют и метод работы спаренными плавильными ваннами. При этом тепло от одной использованной ванной идет на нагрев второй и наоборот. Этот метод дает значительную экономию топлива.


Конверторный способ

При конверторном способе получения стали используется печь в форме груши, поворачивающаяся вокруг своей оси емкостью до 100 тонн. Избыток углерода и других примесей в чугуне окисляется кислородом продуваемом через расплавленный чугун под высоким давлением. Весь процесс изготовления стали этим способом длиться не более 20 минут, что в десятки раз быстрее, чем при мартеновском способе. Для переработки 1 тонны чугуна в среднем требуется до 350 кубометров воздуха.

В качестве исходного сырья применяют жидкий чугун, лом металлов, руду и флюс. Конвектор заполняют сырьем в горизонтальном положении, затем возвращают в вертикальное, одновременно обдувая. В процессе продувки воздухом полностью сгорают марганец, кремний и углерод. Достигнув нужной концентрации углерода, конвектор снова приводят в горизонтальное положение. Металл подвергают необходимому раскислению и выливают в ковш.

Конверторный способ давно и успешно вытеснил мартеновский. Существует несколько подвидов конверторного способа, выделяемых на основе разных вариантов обработки печи. Наиболее популярны – томасовский и бессемеровский подвиды. Также большое распространение получил так называемый кислородно-конверторный способ производства стали. Он основан на существенном увеличении количества используемого кислорода, что повышает эффективность этого способа до 40 %. Минусы способа – увеличение расхода огнеупорных материалов (футеров) и повышенный угар металла.

Конверторная сталь хуже мартеновской по качеству. Она, как правило, малоуглеродная и применяется в качестве технического железа для производства кровли, проволоки и т.д.

Кислородно-конвертерный способ

Обдувая углерод обогащенной смесью кислорода и водяного пара, можно повысить качество бессемеровской стали до уровня мартеновской или вырабатываемой в электропечах. Кислородное дутье существенно снижает содержание азота в стали. Сейчас – это наиболее перспективный способ производства. Выделяются три его подвида: с верхней поддувкой, нижней поддувкой и комбинированный. Последний из них считается самым универсальным.


Электротермический способ

Для выплавки стали по этому способу используются дуговые и высокочастотные печи. Более широко применяются дуговые печи емкостью до 80 тонн. Для электропечей характерны высокие температуры (до 2000 градусов Цельсия). Металл в них расплавляется с высокой концентрацией тугоплавких компонент, хорошо очищается от примесей.

Нагревание исходного сырья (стальной скрап, руда, жидкая сталь) и дальнейшее расплавление происходит за счет тепла, излучаемого тремя дугами. Они образуются в плавильном пространстве между вертикально расположенными электродами.

Качество конечной стали сильно зависит от состава и количества легированных отходов. Получившийся при расплавлении исходного сырья первичный шлак оставляют в печи, тем самым сохраняя легирующие элементы (хром, титан, ванадий), переходящие из шлака в металл.
При мощи этого способа производят стали с самым высоким качеством, в том числе и специальные.

Помимо основных способов для производства стали применяются и другие: с использованием вакуумных высокочастотных печей, плазменно-дуговых печей.

В вакуумных печах производят стали повышенной чистоты. Сталь, полученную в мартеновской печи, подвергают переплавке в вакууме, что позволяет получить однородную высококачественную сталь. Сферы ее применения обширны: атомная промышленность, производство самолетов, космическая индустрия, современные военные производства.

Очевидно, что каждый из способов имеет характерные особенности, присущие только ему плюсы и минусы. Использование конкретного способа производства в каждом случае определяется совокупностью нескольких факторов: наличие и удобство оборудования, цели и задачи, уровень требуемого качества и т.д.

Так, например использование дуговых электропечей позволяет получить легированную сталь, насыщенную тугоплавкими компонентами (вольфрам, молибден). Мартеновский и конвертерный способы не могут дать такого же высокого качества. Помимо этого при электротермическом способе из металла можно полностью вытравить вредные примеси вроде серы и фосфора.

Производство чугуна из железных руд с дальнейшей переработкой в стали требуют огромных затрат энергии и топлива. Поэтому довольно актуальным представляется вопрос экономии сырья и энергии. Некоторые предприятия, в частности ОЭМК (Старый Оскол), применяют методику прямого восстановления железа из руды. Для этого применяется воздействие на чушки из обогащенной руды смеси из водорода и оксида углерода. При температуре до 1000 градусов Цельсия водород и оксид углерода трансформируют руду в твердое железо. Получаемые обработанные чушки содержат до 95 % чистого железа. Далее их используют для производства стали высокого качества в дуговых печах.

Сталь в отличие от чугуна имеет в своем составе значительно меньше углерода и других примесей: марганца, кремния и т.д.

Сталь классифицируется по содержанию углерода на следующие виды:

• С низким содержанием углерода, менее 0,3 %;

• Углеродистую, от 0,3 % до 0,65 %;

• С высоким содержанием углерода, от 0,65 %.

Для повышения качества стали и чугуна применяются разнообразные легирующие добавки: алюминий, хром, марганец и т.д.

Легированные стали подразделяют на:

• Низколегированные, с содержанием добавок менее 4 %;

• Среднелегированные, с добавками от 4 % до 10 %;

• Высоколегированные, более 10 %.

Легирующие добавки повышают прочность стали, ее упругость, стойкость к коррозии и ковкость.

В отличие от чугуна, сталь лучше перерабатывается под давлением, обладает лучшей пластичностью и прочностью. Сущность процесса трансформации чугуна в сталь состоит в ограничении количества примесей в чугуне посредством их окисления.

Обдув плавящегося чугуна воздухом под высоким давлением – суть конверторного способа выплавки стали.

Любая сталь содержит в себе определенное количество неметаллических примесей. Это количество зависит, прежде всего, от способа производства стали. Количество примесей влияет на качество стали. Все стали по количеству содержащихся примесей подразделяются на следующие виды:

• Обыкновенная сталь;

• Качественная сталь;

• Высококачественная сталь;

• Особо качественная сталь.

Каждая из примесей, имеющихся в составе стали по-разному сказывается на ее качестве и свойствах.

Главным фактором, определяющим свойства стали является углерод. Повышение его содержания увеличивает прочность, ухудшает способность сваривания и уменьшает пластичность. Содержание углерода в сталях для строительных конструкций не должно превышать 0,22 %.

В каждом сорте стали имеется марганец, ослабляющий вредное воздействие серы и положительно влияющий на прочность стали. Его содержание варьируется от 0,4 % до 0,65 %.

Кремний отрицательно влияет на свариваемость стали, в то же время, он повышает ее прочность. Кремний содержится в строительных сталях в количестве до 0,3 %.

Кремний и марганец применяются для раскисления углеродистых марок сталей в качестве дешевых сплавов.

Цементит – химическое соединение железа и углерода делает сталь тверже.

Вредными для сталей примесями являются сера и фосфор. Сера совместно с железом образует химическое соединение, так называемое сернистое железо. Его присутствие в сталях негативно сказывается на прочности материала при воздействии давлением с подогревом. Помимо этого эффекта, сера отрицательно влияет на прочность и пластичность стали, а также стойкость от коррозии. Фосфор придает сталям хрупкость при пониженных температурах. Их содержание не должно превышать соответственно 0,055 % и 0,05 %.

Предприятия металлургии производят самые разнообразные по качеству и применению стали. Каждый элемент строительной конструкции, колонна, балка или арматура подвергаются разным нагрузкам, и требует материала с соответствующим качеством. Производство же стали одинаково адаптивной к любым видам нагрузок – слишком затратно.



Возврат к списку