Сутність процесу виробництва сталі

1. Тенденції розвитку виробництва сталі у XX ст. в різних агрегатах. –В.В. Попович. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Львів: Світ, 2006. – 623 с. Сторінки 28-34.

2. Виробництво сталі в кисневих конвертерах. –В.В. Попович. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Львів: Світ, 2006. – 623 с. Сторінки 34-37.

5.2.2. Отримання сталі в мартенівських печах. –В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы: Учебник. – М.: Высш. школа, 1980. – 360 с., ил. Сторінки 28-33

1. Кислий процес отримання сталі. -В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы: Учебник. – М.: Высш. школа, 1980. – 360 с., ил. Сторінки 28-32.

2. Основний процес отримання сталі. -В.М. Никифоров. Технология металлов и конструкционные материалы: Учебник. – М.: Высш. школа, 1980. – 360 с., ил. Сторінки 32-33.

3. Розливання сталі. Способи розливання сталі. -На самостійне опрацювання. - В.В. Попович. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Львів: Світ, 2006. – 623 с. Сторінки 40-43.

5.2.3. Виплавлення сталі в електропечах. -В.В. Попович. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Львів: Світ, 2006. – 623 с. Сторінки 37-40.

Сталь — це сплав заліза з вуглецем, у якому масова частка вуглецю не перевищує 2,14 %. Крім заліза й вуглецю у сталі завжди є марганець (до 0,8 %), кремній (до 0,4 %), фосфор (до 0,07%) та сірка (до 0,06 %), що пояснюється особливостями технології її виробництва.

5.2.1. Сутність процесу виробництва сталі

Основною сировиною для масового виробництва сталі є переробний чавун і скрап (металобрухт й металеві відходи металур­гійних та машинобудівних заводів). Чавун порівняно зі сталлю містить більшу кількість вуглецю, марганцю, кремнію, фосфору й сірки. Позбутись надлишку вуглецю, марганцю, кремнію і фосфору можна шляхом їх оксидації. Під час оксидації вуглець у вигляді газоподібного оксиду вуглецю СО виходить в атмосферу, а марганець і кремній утворюють нерозчинні в розплавленому металі оксиди МnО і Si0₂. Фосфор оксидується до Р₂0₅, який, сполучаючись з флюсом СаО, переходить у нерозчинний у металі фосфат кальцію (СаО)₃ • Р₂0₃. Сірку з розчиненого в металі сульфіду заліза FeS переводять у нерозчинний сульфід кальцію CaS. Утворені сполуки (МnО, Si0₂, (CaO)₃ • Р₂0₃), які ма­ють меншу від заліза густину, випливають на поверхню як шлак.

1. Тенденції розвитку виробництва сталі у XX ст. в різних агрегатах

Попри все ширше використання в народному господарстві сплавів кольорових металів, пластмас, керамічних і композитних матеріалів, сталь залишається основним конструкційним матеріалом завдяки кращим механічним і технологічним властивостям та порівняно невисокій вартості. Жодна з промислово розвинених країн світу не обходиться без власного виробництва сталі. Обсяги виробництва сталі та його технології є важливою характеристикою промислового потенціалу кожної держави.

Виробництво сталі у світі протягом XX ст. розвивалось надзвичайно високими темпами (рис. 5.1 і табл. 5.1). Якщо сумарна кількість сталі, виплавленої у світі в 1900 p., становила 28,3млн. т, то в 2000 р. вона зросла до 829,6 млн. т, тобто за 100 років виробництво сталі у світі

збільшилось майже у 30 разів, в Україні — в 27 разів, а у США — до 10 разів. За результатами 2001 р. Україна посіла сьоме місце серед вироб­ників сталі (див. табл. 5.1).

Зазначимо, що на початку XX ст. у металургійній промисловості світу панували два основні способи виробництва сталі — конвертерний (в бессемерівських і томасівських конвертерах) та мартенівський. Третій спосіб — виробництво сталі в електропечах — перебував на початковій стадії розвитку. В 1952 р. започатковано промислове виробництво сталі в кисневих конвертерах. Киснево-конвертерна сталь за якістю не поступалась мартенівській, але вартість киснево-конвертерної сталі була нижчою.

Рисунок 5.1. Розвиток виробництва сталі та найпоширеніших технологій протягом XX ст.

Таблиця 5.1.

Очевидно, що попит на сталь, виплавлену тим чи іншим способом, визначався її ціною і властивостями. Попри високу продуктивність бессемерівських і томасівських конвертерів та порівняно низькі виробничі витрати, металургам не вдалося забезпечити високу якість конвертерної сталі. Ось чому мартенівське виробництво, частка якого в 1900 р. становила близько 40 %, стало поступово витісняти конвертерний спосіб. У 1960 р.

в мартенівських печах виробляли 82 % сталі, в електропечах — 10 %, в бессемерівських і в томасівських конвертерах разом — близько 4 %, у кисневих конвертерах — 3,5 %. Киснево-конвертерний спосіб, починаючи з 1954 р., став надзвичайно швидко поширюватись у світі. Як наслідок, частка сталі, вироблена в кисневих конвертерах у 1970 p., перевищила 40 %, у 1980 р. вона становила близько 52 %, у 1990 р. — 56,6 %, а у 2001 р. — 59,1 %.

Киснево-конвертерна сталь зовсім витіснила зі світової арени виробництво сталі в бессемерівських та в томасівських конвертерах і стала причиною занепаду мартенівського виробництва, яке в 2001 р. зменшилась до 4,3 %.

Виробництво сталі в електричних печах від початку століття розвивалось дуже повільно, досягнувши в 1925 р. близько 1 %, у 1950 р. — 6,5 %. Однак потреба у високоякісній сталі стимулю­вала розвиток електрометалургії. Ось чому вже в 1970 р. частка виплавленої електросталі

Рисунок 5.2. Порівняння показників розвитку киснево-кнвертерного (а), електропічного (б) та мартенівського виробництва (в) сталі в світі, Україні, Японії та США протягом XX ст.

в світі становила 14 %, у 1990 р. — 27,6 %, а в 2001 р. — 33,6 %. Сьогодні виробництво сталі в електропечах вийшло на друге місце після киснево-конвертер­ного способу й зберігає тенденцію до зростання.

Покажемо, яким способам виробництва сталі віддавали перевагу протягом XX ст. в окремих країнах, розглянувши три найпоширеніші в наш час способи виплавлення сталі — кисне­во-конвертерний, електропічний і мартенівський. Якщо в галузі киснево-конвертерного виробництва в 1960 р. Україна перевищила світовий показник (рис. 5.2, а), то в наступні роки вона поступово втрачала свої позиції і вже в 2001 р. частка української сталі, виробленої киснево-конвертерним способом, становила 49,0 % проти 59,1 % у світі. Відносна кількість киснево-конвертерної сталі, виготовленої в США, не набагато відхилялась від світового рівня. У Японії темпи киснево-конвертерного виробництва були особливо високі в 1970-1977 pp., коли частка цього виробництва сягала 80 %.

Особливо помітне відставання України від темпів світового розвитку в галузі електрометалургії (рис. 5.2, б). Частка ста­лі, виплавлюваної в електропечах США до 1969 р., не переви­щувала світового рівня, а далі темпи розвитку американської електрометалургії перевищили світові (за 2000 р. в США вироблено 49,0 % електросталі, у світі — 33,6%). Японія переви­щила світовий рівень в електрометалургії ще в 1930 р.

Найбільше відстає Україна від світових технологій щодо мар­тенівського виробництва (рис. 5.2, в). Якщо Японія припинила виробництво мартенівської сталі ще в 1977 p., а частка марте­нівської сталі в США в 1990 р. впала до 3,6 %, то в Україні вона становила 52 %. У 2001 р. частка мартенівської сталі зни­зилась в Україні до 48,2 %.

Отже, попри те, що Україна за обсягами виробництва сталі до­сягла високого рівня, вона відстає від сучасних технологій виплавляння сталі. Украй занедбана металургійна промисловість Укра­їни потребує докорінної реконструкції й чималих капіталовкладень.

2. Виробництво сталі в кисневих конвертерах

Кисневий конвертер складається із сталевого кожуха 2 (рис. 5.3), звареного з листа, основної футерівки 3 та отвору 5 для виливання сталі. Конвертер має цапфи (на рисунку не зобра­жені) з горизонтальною віссю, навколо якої можна його повер­тати для завантаження скрапу, наливання чавуну, насипання флюсу й залізної руди й виливання сталі та шлаку. Конвертер вміщує від 100 до 400 т рідкого чавуну.

Ш ихтовими матеріалами для киснево-конвертерного проце­су служать: рідкий переробний чавун (понад 70 %), скрап (до 25 %), залізна руда (до 10 %), вапно СаО, а також плавиковий шпат CaF₂ — для розрідження шлаку.

Рисунок 5.3. Схема будови кисневого конвертера: 1 – ванна; 2 – кожух; 3 – футерівка; 4 – фурма; 5 – отвір для виливання сталі

Перед плавленням конвертер нахиляють для завантаження скра­пу. Далі наливають чавун, що має температуру 1300... 1450 °С. Потім конвертер повертають у вертикальне положення, в нього вставляють водоохолоджувану фурму 4, через яку вдувають кисень (99,5...99,8 %) під тиском 0,9... 1,4 МПа. Водночас у кон­вертер насипають залізну руду, вапно і плавиковий шпат. Стру­мінь кисню проникає вглиб металу й спричинює оксидацію. Час продування киснем становить 12...25 хв., а тривалість одні­єї плавки — 30...55 хв.

Після наливання чавуну починається розплавлювання скрапу, температура в конвертері поступово підвищується від теплоти реакцій оксидації, що зумовлені вдуванням кисню. Оскільки на початку температура ванни відносно низька, то за принци­пом Ле Шательє активно відбуваються екзотермічні реакції. Внаслідок того, що концентрація заліза у ванні дуже висока, за законом діючих мас його оксидація відбувається дуже інтенсивно:

Утворений оксид заліза FeO розчиняється у металі й реагує зі спорідненішими з киснем, ніж залізо, елементами — кремнієм, фосфором і марганцем:

Оксиди Si0₂ і МnО погано розчиняються в металі і, маючи меншу густину, випливають на його поверхню, утворюючи шлак. Фосфорний ангідрид Р₂0₅, вступивши в реакцію з окси­дом кальцію СаО, утворює фосфід кальцію, який також переходить у шлак:

Вміст фосфору в шлаці швидко зростає, наближаючись до насичення. Щоб продовжити дефосфоризацію, виливають шлак і насипають свіжу порцію СаО. Завдяки цим реакціям температура металу помітно підвищується, активізуючи оксидацію вуглецю:

Бульбашки CO, піднімаючись вгору, добре перемішують вміст ванни, вирівнюють склад і температуру металу та сприяють вилученню газів і неметалевих вкраплень.

Збільшення температури ванни помітно поліпшує умови для переведення добре розчинного в металі сульфіду заліза FeS у погано розчинний сульфід кальцію CaS, що переходить у шлак:

Наявні у металі вуглець і оксид заліза сприяють перебігу реакції (6), внаслідок чого в майбутньому зливку залишаєть­ся безліч порожнин, заповнених CO. Сталь з такими порожни­нами називають киплячою. Ці порожнини можуть спричиняти крихке руйнування при низьких температурах. Щоб зменшити небезпеку такого руйнування, необхідно усунути причину ки­піння сталі шляхом дезоксидації, тобто відновлення FeO до чистого заліза за допомогою марганцю, кремнію та алюмінію. Зовсім дезоксидовані сталі називають спокійними, а частково дезоксидовані — напівспокійними.

Дезоксидацію здійснюють у ковші під час випуску сталі з конвертера в такій послідовності: спочатку феромарганцем, по­тім — феросиліцієм і наприкінці — алюмінієм:

Утворені оксиди марганцю, кремнію й алюмінію виплива­ють на поверхню металу й утворюють шлак.

Коли виплавляють леговані сталі, легувальні елементи вводять до їхнього складу у вигляді феросплавів або чистих металів. Еле­менти (Ni, Co, Mo, Cu), що мають меншу спорідненість з киснем, ніж залізо, можна додати в конвертер під час виплавлення, а спорідненіші — Si, Mn, A1, Сr, V і Ті додають безпосередньо у ківш.

Переваги киснево-конвертерного виробництва сталі:

• 
  порівняно низькі капіталовкладення на спорудження кис­нево-конвертерних цехів;
• 
  висока продуктивність;

• 
  отримана сталь за якістю не поступається мартенівській;
• 
  можна переробляти значну кількість (до 25 %) скрапу;
• 
  не потрібно палива.

Недоліки:

• 
  значні втрати металу на угар;

• 
  труднощі, пов'язані з виплавленням сталей, що містять легкооксидівні елементи;
• 
  процес вимагає значної кількості (до 80 %) рідкого чавуну.

Поиск по сайту: