Производство стали конвертерным способом кратко

Конвертерное производство стали;

Химические процессы сталеплавильного производства

Классификация сталей

Свойства сталей, выплавляемых в различных агрегатах, разнообразны и зависят от большого числа факторов: химического состава, способа и технологии выплавки, способа разливки, наличия вредных примесей, технологии обработки давлением, термообработки и т.п.

По способу производства – стали различают следующим образом: бессемеровская, томасовская, кислородно-конвертерная, мартеновская, электросталь, тигельная, сталь электрошлакового переплава, сталь, получаемая в вакуумных, индукционных и дуговых печах.

По назначению:

– конструкционные – применяются для изготовления деталей машин, станков, металлоконструкций и каркасов зданий;

– инструментальные – для изготовления резцов, штампов, фрез, мерительного инструмента и т.д.

– Стали специального назначения:

– нержавеющие, жаропрочные, трансформаторные, шарикоподшипниковые, броневые, рельсовые и т.д.

По качеству (отличаются содержанием вредных примесей S и P):

– стали обыкновенного качества,

По химическому составу:

– углеродистые (низко-, средне-, высоко-.), легированные (низко-, средне-, высоко-).

В сталеплавильных печах кислород наиболее быстро окисляет железо, концентрация которого значительно превышает концентрацию других элементов в сплаве:

2Fe + O₂ → 2FeO + Q

Образующаяся закись железа FeO хорошо растворима, как в металле, так и в шлаке и играет роль основного носителя кислорода.

Кремний, марганец, углерод и другие примеси стали, обладают более высоким сродством к кислороду, чем железо, и поэтому они отбирают кислород у железа, восстанавливая его. Окисление примесей идет за счет газообразного кислорода, а также закиси железа по реакции:

Si + 2FeO → SiO + 2Fe

Mn + FeO → Mn + Fe

Все эти реакции идут легко за счет большого количества кислорода и перемешивания. Окисление углерода имеет наиболее важное значение: достижение его заданного значения определяет продолжительность плавки. Кремний окисляется практически полностью. Марганец окисляется примерно на 70%. Фосфор удаляется путем ошлаковывания (перехода в шлак).

P + 5FeO + 3CaO = P₂O₅ 3CaO + 5 Fe + Q

За всю плавку в шлак переходит до 95-98% фосфора шихты. Сера удаляется значительно хуже, чем фосфор, до 50% остается в чугуне.

FeS + CaO = CaS + FeO.

Удаление серы затруднено наличием в шлаке (до 20%) закиси железа. Поэтому для получения стали в кислородном конвертере применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07%).

Кислородно-конвертерный процесс – выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом. Корпус конвертера сварен из листовой стали, толщиной до 100 м. Внутренняя футеровка двух или трехслойная, общей толщиной 700-1000 мм. – изготовлена из основных огнеупорных материалов (магнезит и доломит). Стойкость футеровки 200-600 плавок. Поворот конвертера осуществляется с помощью цапф.

Вместимость конвертера 70-350 т. Давление воздуха 9-14 атм.

Первые опыты по разработке этого способа в 1933-34 гг. осуществил А.И. Мозговой. В промышленности его стали применять в 1952-1953г. В настоящее время он получил широкое распространение.

Рис. 2.2. Схема кислородного конвертора:

1- жидкий чугун; 2 – кислородная фурма; 3- летка; 4 – сопло;

5 – горловина; 6 – футеровка; 7 – стальной кожух.

Шихта: жидкий передельный чугун, стальной лом, известь, железная руда, бокситы. Плавиковый шпат и известь используют для наводки шлака. Бокситы, плавиковый шпат – для разжижения шлака.

Кислородно-конвертерным способом выплавляют спокойную, кипящую и полуспокойную стали. Во избежание большого угара раскислители вводят не в конвертер, а на струю металла при выпуске плавки. Выплавка легированных сталей в конвертерах затруднена, в них выплавляют в основном низколегированные стали.

Другие конверторные способы.

Бессемеровский и томассовский процессы – первые конверторные способы: Бессемеровский (Бессемер, 1855-1856г. Англия) и томассовский (Томас, 1878г.Англия) до начала ХХ века были главными способами производства стали.

Сущность способов: сталь получают, окисляя примеси расплавленного чугуна, путем продувки снизу через фурмы, расположенные в днище.

Бессемеровский конвертор имеет кислую футеровку из динаса.

Томассовский – основную футеровку (долмит). Оба способа у нас в стране не применяются.

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Способы производства стали

Способы получения стали зависят от применяемого оборудования:

При первом способе выплавка стали производиться в конвертере, представляющим собой стальной сосуд грушевидной формы, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Для получения стали ,в конвертер заливают жидкий чугун, имеющий высокую температуру (1250-1400 С) и загружают известняк, металлолом. Затем подают кислород под давлением. При этом кислород быстро выжигает из чугуна избыток углерода и др. примесей, известь взаимодействует с фосфором, серой и переводит их в шлак. По ходу плавки берут пробы металла на экспресс-анализ. Если содержание углерода соответствует заданному продувку кислородом прекращают и сталь сливают в ковш, а шлак сливают через специальное отверстие.

В готовой стали остается кислород в виде окисла железа. Для его восстановления в ковш вводят раскислители. Если сталь полностью раскислена и при застывании в изложницах из нее почти не выделяются газы, ее называют «спокойной». При выплавке спокойной стали в качестве раскислителей вводят сначала ферромарганец, потом ферросилиций и в последнюю очередь алюминий.

В тех случаях, когда из стали не удален кислород при ее разливке в изложницы и постепенном охлаждении последний взаимодействует с углеродом. с образованием окиси углерода. При интенсивном выделении окиси углерода поверхность металла как бы бурлит и сталь называют «кипящей». В этом случае в качестве раскислителей вводят только ферромарганец.

Наличие в жидком металле растворенных газов является причиной образования в слитке пустот, снижающих свойства стали. Для предотвращения образования пустот необходима дегазация жидкой стали до разлива ее в изложницы. Наиболее полная дегазация достигается обработкой стали в вакуумных камерах, в результате которой значительно повышаются плотность слитка и физико-механические свойства металла. После раскисления и дегазации сталь разливают по изложницам.

Существует два типа конвертеров- бессемеровский и томассовский, которые отличаются видом футеровки (огнеупорный материал).Для кремнистых чугунов- бессемеровский конвертер, для чугунов, обогащенных окислами фосфора- томассовский. В кислородных конвертерах выплавляют углеродистые, низколегированные и легированные стали. Из таких сталей изготовляют проволоку, трубы, рельсы.

Преимущества конвертерного способа:

1) высокая производительность;

2) компактность и простота устройства конвертера;

3) 3) низкая себестоимость стали.

Недостатки:

1)в конвертерах перерабатывается только жидкий чугун, а переработка металлолома возможна в небольшом количестве (до 10%);

2)в процессе продувки наряду с выгоранием углерода и других примесей выгорает немалая часть железа (потери металла составляют 10-15%);

3)процесс получения стали вследствие большой скорости с трудом поддается регулированию, что сокращает возможность получения стали точно определенного состава.

Конвертерную сталь применяют главным образом для изготовления изделий не требующих от металла особо высоких качеств.

Технологический процесс производства стали представлен на рис. 10.6.1

Сталь. Способы получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавка.

Основным сырьем для получения стали служат передельный чугун, лом черных металлов и отходы производства.

Существует несколько способов получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавка.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что значит бессемеровская и томасовская сталь.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Плавка стали в электропечах дает возможность получать высококачественные стали. Сущность процесса заключается в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фосфора.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями. Сера снижает литейные свойства, препятствует выходу газов из жидкой стали, вызывает ломкость. Фосфор снижает пластичность и вызывает хладноломкость (хрупкость) стали. Кремний повышает упругость и вязкость стали, марганец повышает износоустойчивость.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат до 0,35% кремния, 0,8% марганца, 0,06% серы, 0,07% фосфора. Легированными называют такие стали, в состав которых специально введены легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт и др.) для сообщения стали требуемых свойств.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.

По способу выплавки различают сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат до 0,65-0,70% углерода и обозначаются буквами Ст и цифрой, которая является условным номером стали, например: Ст 2, Ст 3 и т. д. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода и тем она прочнее и тверже.

Качественные углеродистые стали обозначают только цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 15 содержится 0,15% углерода, в стали марки 20,-0,20% углерода.

Углеродистые инструментальные стали содержат от 0,65 до 1,35% углерода. Они более прочные, твердые, но менее вязкие.

Углеродистые инструментальные стали делятся на две группы: качественные и высококачественные.

Углеродистые инструментальные качественные стали обозначают буквой У и цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, в стали марки У8 содержится 0,8% углерода, а стали марки У13-1,3% углерода.

В марке углеродистой инструментальной высококачественной стали ставят букву А, например У9А, У13А.

Легированные стали обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ними буквы русского алфавита указывают на легирующие элементы, входящие в состав данной стали.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами: X – хром, Н – никель, Д – медь, Г -марганец, С – кремний, В – вольфрам, К – кобальт, П – фосфор, Т – титан, Ф – ванадий, М -молибден, Ю – алюминий.

Если легирующего элемента содержится меньше 1%, то цифра после буквы не ставится. Например, марка стали 12ХН3, в составе которой находится 0,12% углерода, около 1% хрома и 3% никеля.

Если в конце марки стоит буква А, то это значит, что сталь относится к группе высококачественных, содержащих минимальное количество вредных примесей – серы и фосфора.

Высоколегированные стали с особыми свойствами выделены в отдельные группы и обозначаются буквой в начале марки, например: Ж -хромистые нержавеющие, Я – хромоникелевые нержавеющие, Р – быстрорежущие, Ш – шарикоподшипниковые, Е – магнитные. Так, марка ШХ15 обозначает хромистую шарикоподшипниковую сталь.