вход Вход Регистрация



У сталі в порівнянні із чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки й фосфору, тому основною задачею сталеплавильного переділу є зниження концентрації зазначених елементів. Досягається це шляхом окислювання («випалювання») домішок чавуну в сталеплавильних агрегатах.

По типу сталеплавильних агрегатів і технології плавки розрізняють мартенівський, киснево-конвертерний і електросталеплавильний процеси.

Мартенівський процес - виробництво рідкої сталі в мартенівській печі. Залежно від футерівки робочого простору печі розрізняють основний і кислий мартенівський процеси. Найбільшого поширення набув основний процес, що дозволяє переробляти практично будь-які шихтові матеріали, у тому числі з високим умістом сірки й фосфору. Процес полягає в окисленні вуглецю та других домішок у розплавленому металі на подині регенеративної печі.

 

 

Мартенівська піч складена з вогнетривкої цегли й стягнута системою сталевих балок, що утворюють зовнішній каркас. Усередині печі знаходяться робочий простір, зверху він обмежений зводом, знизу - подиною. Подина викладена у виді овальної чаші, у якій відбувається процес плавки. У передній стінці печі маються вікна, через які завантажують шихтові матеріали й стежать за ходом плавки. У задній стінці передбачені отвори для випуску сталі й шлаку. У торцях печі розташовані голівки, що з'єднують плавильний простір із регенераторами. Останні являють собою футеровані вогнетривкою цеглою камери, і служать вони для підігріву повітря й газоподібного палива, подаваних у піч. Гази й повітря проходять через відповідні регенератори й нагріваються до 1000-12000С, у голівці печі вони змішуються й згоряють у виді факела, у результаті чого температура під зводом печі досягає 17500С. Продукти горіння направляються через протилежну голівку в іншу пару регенераторів і нагрівають їхню вогнетривку насадку, потім надходять у котли – утилізатори й далі в димову трубу. Поступово насадка однієї пари регенераторів остигає, а насадка іншої пари, через котру йдуть продукти горіння, нагрівається. Коли температура в регенераторах, що нагріваються, досягне 1200-13000С, автоматично змінюють напрямок руху газів і повітря на протилежне за допомогою перекидних клапанів, установлених у каналах для подачі й відводу газів. Цю операцію називають перекиданням клапанів, і проводиться вона кожні 15-20 хвилин. У такий спосіб відбувається регенерація тепла, і саме тому мартенівська піч відноситься до типу регенеративних.

У залежності від складу шихти розрізняють скрап-процес і скрап-рудний процес плавки. При скрапі-процесі в піч завантажуються скрап (металобрухт) і чушковий чавун. При скрап-рудному процесі в піч заливають рідкий чавун (55-75%), додають залізну руду (12-20%) і скрап. Найбільш розповсюджений скрап-рудний процес плавки.

Процес включає наступні стадії: заправлення подини й укосів, завалку й прогрів твердої шихти, заливання рідкого чавуну, плавлення, кипіння, розкислення, доведення й випуск готової сталі.

Заправлення подини й укосів полягають у засипанні доломітовим чи магнезитовим порошком вибоїв і ямок, роз'їдених шлаком. Завалка шихти робиться з допомогою завалочних машин через вікна в передній стінці печі. Спочатку завантажують частина брухту, а на нього - вапняк і залізну руду. Після прогріву завантажують інший брухт, і нагрівають до температури плавлення чавуну. Заливання рідкого чавуну робиться з ковша по спеціально встановленому жолобу.

У період завантаження й плавлення шихти відбувається окислення домішок за рахунок кисню, що міститься в пічних газах і руді, а після утворення шлаку - за рахунок оксиду заліза в шлаку. Ці реакції зводяться до наступних схем:

FeO+Mn=(MnO)+Fe

2FeO+Si=(SiO2)+2Fe

3FeO+2Al=(Al2O3)+3Fe

FeО+C=СОгаз+Fe

Круглі дужки вказують на перехід оксидів, що утворюються, у шлак. Оксид заліза, залізо й вуглець знаходяться в рідкому металі.

Важливим моментом плавки є період "кипіння" - виділення газу СО у виді пухирців, що утворюються в розплаві. Метал і шлак при цьому перемішуються, їхня температура й хімічний склад усереднюються, з металу видаляються гази, неметалічні включення. По досягненню необхідного умісту вуглецю в киплячому металі, що визначається шляхом швидкого аналізу проб, що відбираються, приступають до останньої стадії плавки - доводці й розкисленню металу. Для цього в піч уводять розраховану дозу феромарганцю й феросиліцію, у результаті чого зменшується вміст оксиду заліза в металі (метал розкислюється). Після розкислення беруть контрольну пробу металу й шлаку, пробивають льотку й по жолобу випускають сталь у ківш.

Мартенівський процес дуже енергоємний, тривалий, не забезпечує необхідної якості сталі, тому майже у всіх розвинених країнах цей процес уже давно замінений киснево-конвертерним.

В останні роки деякі мартенівські печі реконструйовані в двох ванні сталеплавильні агрегати, що дозволило значно поліпшити техніко-економічні показники їхньої роботи. Ці агрегати являють собою мартенівську піч, розділену на дві камери. Обидві камери оснащені завалочними вікнами й випускними отворами, але додатково мають кисневі фурми. При продувці ванни киснем відбувається бурхливе окислення вуглецю й інших домішок із виділенням значної кількості тепла. Гарячі гази направляються в іншу камеру, де в цей час іде завантаження шихти, яка й нагрівається цими газами. Коли сталь у першій камері готова, її випускають, змінюють напрямок руху газів, і цикл повторюється, тобто агрегат працює безупинно, тривалість плавки й витрата палива зменшується.

Киснево-конвертерний процес - це виплавка сталі із чавуну в конвертері при продувці киснем через водоохолоджувану фурму. За короткий термін киснево-конвертерний процес одержав широке поширення у всіх країнах. Сьогоднішній конвертер можна певною мірою називати нащадком бесемерівського, тому що в ньому, як і колись, сталь одержують, продуваючи рідкий чавун. Але вже не повітрям, а технічно чистим киснем. Це виявилося набагато

ефективніше.

Киснево-конвертерний спосіб виплавки сталі прийшов у металургію більш ніж піввіку назад. Створений у Радянському Союзі за пропозицією інженера-металурга М. І. Мозкового, він цілком витиснув бесемерівський процес. Перша у світі тона киснево-конвертерної сталі була успішно виплавлена в 1936 році на київському заводі «Більшовик», однак у промисловому масштабі цей процес був уперше реалізований в Австрії тільки в 1953 році.

Виявилося, що таким способом можна не тільки переробляти рідкий чавун, але й додавати в конвертер значні кількості твердого чавуну й залізного брухту, що раніш можна було переробляти тільки в мартенівських печах. От чому кисневі конвертери отримали таке велике поширення. Ступінь використання тепла в кисневому конвертері набагато вище, ніж у сталеплавильних агрегатах подового типу - тепловий коефіцієнт корисної дії конвертера складає 70%, а в мартенівських печах - не більш 30.

Конвертер являє собою сталеву судину грушоподібної форми місткістю 100-350 т. Усередині конвертер викладений вогнетривкою цеглою. У верхній частині знаходиться горловина, збоку - льотка. Зовні конвертер оперезаний сталевим кільцем із двома цапфами, що втримують конвертер і дозволяють повертати його навколо горизонтальної осі. Перед початком процесу конвертер повертають у похиле положення, завантажують металевий брухт і рідкий чавун. Потім повертають у вертикальне положення, завантажують вапняк і подають кисень під тиском через фурму.

 

 

 

За рахунок кисню в конвертері протікають реакції окислювання домішок і заліза. Метал у конвертері плавиться без витрати палива, тільки лише за рахунок тепла, що виділяється при окислюванні домішок. Витрата кисню досягає 5 куб. метрів у хвилину на кожну тонну сталі. Контроль плавки ведеться по спектру полум'я, що виходить із горловини конвертера.

По ходу плавки беруть проби металу на експрес-аналіз. Якщо уміст вуглецю відповідає заданому, продувку припиняють, піднімають фурму й, повернувши конвертер у горизонтальне положення, випускають сталь через льотку, а потім через горловину зливають шлак.

Киснево-конвертерний процес характеризується великою продуктивністю - за 40 хвилин в одному конвертері одержують 300 - 350 тонн сталі, у той час як мартенівська плавка такої ж кількості сталі триває 7 - 9 годин.

Електросталеплавильний спосіб

Для виплавки сталі цим способом використовують електричні печі двох типів: дугові й індукційні (високочастотні). Перші з них одержали більш широке застосування в металургійній промисловості.

 

 

Дугові сталеплавильні печі (ДСП) мають ємність 3-100 т і більше. В електричних печах можна одержувати дуже високі температури (до 20000С), розплавляти метал із високою концентрацією тугоплавких компонентів, добре очищати метал від шкідливих домішок, створювати відновну атмосферу чи вакуум (індукційні печі) і досягати високого ступеня розкислення й дегазації металу.

Нагрівання й розплавлювання шихти здійснюється за рахунок тепла, випромінюваного трьома електричними дугами. Електричні дуги утворюються в плавильному просторі печі між вертикально підвішеними електродами й металевою шихтою.

У дугових сталеплавильних печах застосовують вугільні й графітовані електроди. Діаметр електродів визначається потужністю споживаного струму й складає 350-550мм. У процесі плавки нижні кінці електродів згоряють, тому електроди поступово опускають і в необхідних випадках нарощують зверху. У дугових печах можна виплавляти будь-яку сталь з якою завгодно кількістю різних добавок, включаючи такі тугоплавкі, як вольфрам і молібден.

Індукційні печі відрізняються від дугових способом підведення енергії до розплавленого металу. Індукційна піч приблизно працює так само як звичайний трансформатор. У немагнітному каркасі маються індуктор і вогнетривкий плавильний тигель. Індуктор печі виконаний у виді котушки з визначеним числом витків мідної трубки, усередині якої циркулює охолоджуюча вода. Метал завантажують у тигель, що є вторинною обмоткою. Магнітний потік наводить у вторинній обмотці перемінний струм, під впливом якого нагрівається й розплавляється метал. Індукційні печі мають ємність від 50кг до 100 т і більше.

Плавильні тиглі печей виготовляють із кислих або основних вогнетривких матеріалів.

В індукційних печах сталь виплавляють методом переплаву шихти. Ці печі характеризуються низьким угаром легуючих елементів. Шлак утворюється при завантаженні шлакових компонентів на поверхню розплавленого металу. Для випуску сталі з печі тигель нахиляють убік зливального носка. В індукційних печах немає вуглецю, тому метал не навуглецьовується. Під дією електромагнітних сил метал циркулює, що прискорює хімічні реакції й сприяє одержанню однорідного металу.

Індукційні печі застосовують для виплавки високолегованих сталей і сплавів особливого призначення, що мають низький зміст вуглецю й кремнію.

Без коксове (пряме) одержання заліза.

Уже на рубежі 2 і 1 тисячоріччя до н.е. для плавки заліза використовували сиродутні горни - вони виявилися єдиними агрегатами, що втілили в собі ідею прямого одержання заліза. З виникненням двох стадійного способу (перша стадія - одержання чавуну й друга - переробка чавуну в сталь) пряме одержання в промисловому масштабі не застосовувалося, однак сама ідея продовжує жити, а в останні роки інтерес до неї помітно зростає. Викликано це наступними обставинами:

1. Зменьшення запасів коксівного вугілля.

У доменному процесі замінити цілком кокс іншим паливом неможливо, тому ідея поза доменного одержання сталі за схемою «металізовані залізорудні матеріали - сталь» виглядає дуже привабливою.

2. Значне підвищення вимог до якості сталі.

Промисловий досвід переконливо показує, що отримана поза доменним шляхом сталь має кращі властивості, що зв'язано з поняттям «первородна шихта». «Первородна шихта» на відміну від скрапу не містить небажаних кольорових металів, які погіршують якість готової сталі;

3. Необхідність створення малопотужних рентабельних заводів (міні-заводів), що дозволяють гнучко змінювати програму випуску якісної металопродукції в різноманітному асортименті, що неможливо при масштабній класичній схемі. У даний час ця концепція перевірена в промисловому масштабі й доведена її ефективність. Приклади - Білоруський і Молдавський металургійні міні-заводи.

4. Значні екологічні переваги. На відміну від традиційної схеми одержання сталі в новій гарантується повна екологічна безпека для навколишнього середовища.

У широкому промисловому масштабі схема «металізовані окатиші - переплав у дугових сталеплавильних печах» реалізована на найбільшому у світі Оскольскому електрометалургійному комбінаті (Росія).

 

1-виділення залізної руди із пульпи; 2-виготовлення окатишів та їх відпал; 3-відновлення заліза в шахтних печах; 4-переплавка металізованних продуктів в ДСП; 5-розливка сталі на машинах непереривного лиття заготовок (МНЛЗ); 6-прокатка; 7-готова металопродукція.

Технологічна схема роботи комбінату зводиться до наступного. З концентрату, що містить не менш 69 - 70% заліза, не більш 0,01 - 0,02% шкідливих домішок (P, S, As, Cu і ін.) і не більш 3% порожньої породи, готують відпалені окатиші, що подають у шахтні печі безупинної дії, де при температурі 750 – 9000С обробляють газом - відновником, що містить Н2 і СО.

Продуктом відновлення є т.зв. губчате залізо - це спечені в грона й конгломерати відновлені окатиші. Свіжо відновлене залізо має підвищену пірофорність (схильність до самозаймання на повітрі), тому у виробництві приймаються спеціальні заходи для її подавлення.

 

Поза пічна обробка сталі

Для підвищення якості сталей застосовують різні способи обробки сталі після випуску її зі сталеплавильного агрегату - у ковші або у виливниці.

Найбільше поширення одержали наступні способи поза пічної обробки: вакуумування, обробка рідким синтетичним шлаком, продувка інертним газом, продувка інертним газом одночасно з обробкою шлакоутворюючими сумішами чи порошкоподібними реагентами.

Вакуумна обробка застосовна для різних сталей, виплавлюваних у будь-яких металургійних агрегатах, і дозволяє одночасно дегазувати значні кількості металу. У цьому способі ківш із рідкою сталлю міститься у вакуумну камеру, у якій за допомогою вакуумних насосів створюється розрідження (1–20 мм ртутного стовпа). Пухирці газу з товщі рідкого металу спрямовуються до поверхні й відразу ж відсмоктуються насосами. Витримка ковша в камері всього 15-20 хвилин. В результаті вакуумування сталі досягається зниження вмісту газів у металі - кисню, азоту й особливо водню, зменшується також забруднення сталі неметалічними включеннями.

Застосовують і інші варіанти вакуумної обробки сталі - при переливі її з ковша в ківш, при розливанні у виливниці, вакуумування окремих порцій металу, засмоктуваних у вакуумну камеру, циркуляційний.

При обробці металу рідким синтетичним шлаком використовують вапняно-глиноземистий шлак. Його готують із суміші вапна й матеріалів, що містять глинозем. Суміш розплавляється в дугових електричних печах, футерованих вугільними блоками. Витрата шлаку для обробки сталі складає 35 - 50 кг/т. Розплавлений і нагрітий до необхідної температури шлак заливають у сталерозливний ківш до випуску чи одночасно з нею. Метал і шлак при цьому перемішуються, у результаті чого відбувається додаткове очищення металу від шкідливих домішок.

При продувці сталі інертним газом використовують технічний аргон, що містить не більш 0,1 - 0,2% кисню, а також інших можливих домішок. Сировиною для одержання аргону служить повітря. Вміст аргону в повітрі складає 32 л/м. куб. повітря. Аргон не є рідкісним газом і запаси його практично невичерпні. З повітря аргон добувають попутно з киснем і азотом. Аргон є одноатомним газом, він не має кольору й запаху, цілком нейтральний і не утворює з металом хімічних сполук. Подають аргон у розплав через фурми або пористі вогнетривкі насадки.

Розливання сталі

Після розкислення сталь направляють на розливання. Температура розливання 1600 – 16500С. Розрізняють два способи розливання сталі - у виливниці (класичний спосіб) й більш сучасний - розливання на машинах безупинного лиття заготовок (МБЛЗ). В технічній літературі зустрічається і друга назва таких машин - установки непреривного розливання сталі (УНРС). Виливниці - відлиті із чавуну порожні форми без дна, установлені, як правило, на піддонах залізничних платформ. Наповняють виливниці або зверху, або знизу (сифонний спосіб).

При розливанні зверху ківш із рідкою сталлю встановлюють над кожною виливницею. Отвір у дні ковша приходиться відкривати й закривати стільки разів, скільки виливниць має бути наповнено. І стільки ж разів треба переміщати ківш від однієї виливниці до іншої, чи переміщати поїзд із виливницями, якщо вони встановлені на платформах.

При сифонному розливанні одночасно можна наповнити дві, чотири, шість - до тридцяти шести виливниць за один прийом. У цьому випадку ківш установлюють над трубою з вогнетривкого матеріалу - центровою. Навколо труби на металевій платформі - піддоні - установлені виливниці, до яких метал поступає по відповідних каналах, змонтованих у футерівці піддона.

 

 

У цеху є відділення підготовки виливниць і розливних поїздів. Виливниці ретельно готують до прийому рідкого металу. Потрапивши у виливницю, метал відразу починає застигати. У стінок і днища утвориться величезна кількість крихітних кристаликів - їх дуже багато, вони тіснять один одного, розштовхують, заважаючи взаємному росту. Ближче до центра виливниці швидкість кристалізації знижується, метал застигає повільніше, кристали витягаються, ростуть майже перпендикулярно стінкам форми, і утвориться шар так званих стовпчастих кристалів. У центрі злитка панує хаос, метал кристалізується повільно, кристали розташовуються безладно. А на самому верху, де метал застигає в останню чергу, взагалі утворюється неправильної форми порожнеча - своєрідна раковина.

Адже коли метал застигає, він стискується, зменшується в обсязі - «дає усадку». От чому цю порожнечу металурги й називають усадочною раковиною. Сюди, у цю раковину, із нижче лежачих шарів металу спливають газові пухирці, неметалічні включення й інші домішки, що псують метал. Ця частина злитка не придатна для подальшої переробки, і її приходиться обрізати.

Під усадочною раковиною у верхній частині метал теж пухкий. Щоб сповільнити його охолодження, зверху на виливницю встановлюють спеціальну надставку. Цю надставку називають прибутковою. На відміну від виливниці вона утеплена - зовні зроблена з металу, а зсередини облицьована вогнетривким матеріалом. Тому метал у цій частині форми застигає повільніше, усадочна раковина в основному розташовується над злитком. Застосування таких надставок дає можливість «витягнути» зі злитка непридатний метал. Так що далі не весь злиток бере участь у виробничому циклі, а тільки його частина.

Коли метал у виливницях остаточно застигне, поїзд із виливницями направляють у так називане стриперне відділення, де злитки «роздягають» за допомогою кліщового крана. Він виштовхує злиток із форми, міцно тримаючи її у своїх кліщах. Порожні виливниці повертаються в сталеплавильний цех, де їх готують до наступного розливання, а злитки направляють до нагрівальних колодязів для нагрівання під подальшу обробку.

Будова злитка залежить від ступеня розкислення сталі, що розливається. Справа в тім, що в рідкій сталі залишається кисень у виді розчиненого оксиду заліза FeO. Для його видалення в ківш при випуску вводять розкислювачі. Частина розкислювачів уводять у мартен чи конвертер наприкінці плавки. Якщо сталь цілком розкислена й при затвердінні у виливницях із неї майже не виділяються гази, її називають «спокійною». При виплавці спокійної сталі в якості розкислювачів спочатку вводять феромарганець, потім феросиліцій і в останню чергу алюміній.

У тих випадках, коли зі сталі вилучений не весь кисень, при її розливанні у виливниці й поступовому охолодженні останній взаємодіє з вуглецем. Газ СО, що при цьому утворюється, інтенсивно виділяється зі злитка, що кристалізується. Поверхня металу нібито кипить, тому таку сталь називають «киплячою». При одержанні киплячої сталі у якості розкислювача вводять лише феромарганець.

Розливання металу у виливниці - процес далеко не досконалий. Багато праці приходиться затрачати, щоб підготувати виливниці до прийому рідкого металу, багато місця займає відділення, де готують поїзди й звільняють виливниці від застиглих злитків, багато металу йде в обріз, нерівномірний розподіл домішок у злитку знижує якість металопрокату.

Більш прогресивний спосіб розливання це безупинне розливання на МБЛЗ, де одержують т.зв. нескінченний злиток. При такому розливанні метал направляють із ковша через проміжний пристрій у металеву водоохолоджувану форму - кристалізатор. Внутрішня стінка кристалізатора мідна, зовнішня сталева, між ними циркулює вода. Дна в кристалізатора немає, тому перед початком розливання в нього вводять тимчасове дно - «приманку». Рідкий метал відразу ж починає застигати біля стінок та дна. Через визначений час приманку спеціальним механізмом починають витягати вниз. За нею із кристалізатора тягнеться смуга сталі, що застигає, перетин якої відповідає перетину кристалізатора.

Так безупинно розливають весь метал із ковша - зверху в кристалізатор заливають рідку сталь, знизу з нього витягають нескінченний злиток, що застигає. Але злиток тільки зовні твердий, усередині він ще рідкий, тому його приходиться додатково охолоджувати. Вода, що розприскується з форсунок, безпосередньо охолоджує метал, і злиток остаточно застигає, а ролики просувають його, і в той же час утримують від прогинання.

Злиток опускається все нижче й нижче. На розрахованій заздалегідь висоті він «попадає в лапи» газового ножа, що рухається разом зі злитком, і на ходу розрізає його на окремі заготовки.

З появою безупинного способу розливання стала можливою повна механізація й автоматизація цієї трудомісткої ділянки металургійного виробництва. Значно скорочується кількість відходів, тому що негідні верхню й нижню частини злитка відрізають тільки один раз - адже злиток майже нескінченний. Відпадає необхідність у величезному числі виливниць і великій кількості вогнетривких матеріалів. При безупинному розливанні відразу ж одержують заготовки, тому вивільняються заготовочні прокатні стани. Метал, що розливається таким чином, відрізняється високим ступенем однорідності.

Машини безупинного лиття заготовок у залежності від конструктивного виконання можуть бути вертикальними чи радіальними. Розливати метал на них можна в кілька струмків. Швидкість безупинного розливання залежить від висоти установки й кількості рідкого металу, що приходиться розливати - адже метал повинний устигнути цілком застигти. На сучасних МБЛЗ вона складає 0,8 – 1,5 метрів у хвилину.

Використання вертикальних машин, висота яких досягає 30 - 40 метрів, спричиняє значне збільшення висоти розливного відділення. При розливанні на радіальних машинах виходить злиток будь-якої довжини - не розрізаючи, його можна направляти прямо в прокатний стан, тобто застосування радіальних МБЛЗ дозволяє й на цій ділянці не переривати процес.

Безупинне розливання сталі - дуже ефективний спосіб розливання, розроблений радянськими вченими й упроваджений уперше на заводах СРСР.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру