Технология выплавки стали

Чугун может  применятся в жидком виде или в  чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может  быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и экономических условий.

Рис. 4. Схема  двухванной сталеплавильной печи:

1 – топливно-кислородные  фурмы; 2 – фурмы для вдувания твердых материалов; 3 – свод печи; 4 – вертикальные каналы; 5 – шлаковики; 6 – подины печей

Мартеновский  процесс. Материалами для выплавки стали в мартеновской печи могут  быть: стальной лом (скрап), жидкий я  твердый чугуны, железная руда. По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых :

1) скрап-рудный процесс на шихте  из жидкого чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной  руды;

2) скрап-процесс на шихте из  стального лома и 25...45 % чушкового  передельного чугуна.

Флюсом в обоих процессах  обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы металла).

Более широкое применение в металлургии  получил скрап-рудный процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксида железа руды и скрапа:

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fe20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Ре20з= ЗСО  + 2Fe.

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с  известью:

FeS + СаО == FeO + CaS.

Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также сульфид CaS образуют шлак, периодически выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Для интенсификации процесса плавления  и окисления примесей ванну продувают  кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые  фурмы. Продувка кислородом позволяет  в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления шихты начинается период кипения ванны. В это время  интенсивно окисляется углерод в  металле. В момент, когда содержание его достигает заданного, а количество серы и фосфора уменьшается до минимума, кипение прекращают и начинают раскисление стали в ванне печи ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Этот процесс широко применяется  на заводах с полным металлургическим циклом.

Скрап-процесс применяют на машиностроительных заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько  отличается завалкой и плавлением шихты.

Основной скрап-процесс применяется  для выплавки углеродистых и легированных сталей.

Показатели работы мартеновских печей: съем стали с 1 м2 пода печи в сутки  и расход топлива на тонну выплавленной стали. На отечественных заводах  съем стали составляет около 10 т/м2 в  сутки, а расход топлива при скрап-рудном процессе— 120... 180 и при скрап-процессе — 170... 250 кг/т.

Интенсификация мартеновского  производства достигается использованием печей большей емкости, хорошей  подготовки шихтовых материалов, автоматизации  процесса плавки. Повышению производительности печей и экономии топлива способствует применение кислородного дутья. я твердый чугуны, железная руда. В зависимости от их соотношения в шихте различают:

1) скрап-рудный процесс на шихте  из жидкого чугуна с добавкой 25...39 % стального скрапа и железной  руды;

2) скрап-процесс на шихте из стального лома и 25...45 % чушкового передельного чугуна.

Флюсом в обоих процессах  обычно служит известняк СаСО3 (8...12 % от массы металла).

Более широкое применение в металлургии  получил скрап-рудный процесс выплавки стали в основной мартеновской печи. Вначале в печь загружают и прогревают железную руду и известняк, затем добавляют стальной скрап и заливают жидкий чугун. В процессе плавки примеси в чугуне окисляются за счет оксида железа руды и скрапа:

3Si + 2Fе2Оз== 3SiO2+ 4Fe; ЗМп + Fе20з== ЗМпО + 2Fe;

6Р + 5Fе2Оз= ЗРзО5+ lOFe; ЗС + Fе20з= ЗСО  + 2Fe.

Сера удаляется  в результате взаимодействия сернистого железа с известью:

FeS + СаО  == FeO + CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, а также  сульфид CaS образуют шлак, периодически  выпускаемый из печи в шлаковые чаши.

Для интенсификации процесса плавления и окисления  примесей ванну продувают кислородом, подаваемым через водоохлаждаемые  фурмы. Продувка кислородом позволяет  в 2...3 раза сократить длительность процесса, уменьшить расход топлива и железной руды.

После плавления  шихты начинается период кипения  ванны. В это время интенсивно окисляется углерод в металле. В  момент, когда содержание его достигает  заданного, а количество серы и фосфора  уменьшается до минимума, кипение  прекращают и начинают раскисление стали в ванне печи ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше при выпуске стали из печи.

Скрап-процесс применяют на машиностроительных заводах, не располагающих жидким чугуном. От скрап-рудного процесса он несколько  отличается завалкой и плавлением шихты. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства.

Основной  скрап-процесс применяется для выплавки углеродистых и легированных сталей.

При мартеновском способе выплавки, сталь получают более качественную, чем в конвертерах, но и времени по производству ее затрачивается значительно больше.

Электросталеплавильный  способ

Электросталеплавильное производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.

Выплавка  стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.

В отличие  от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.

Рис. 6. Схема рабочего пространства дуговой электропечи:

1 – куполообразный свод; 2 –  стенки; 3 – желоб; 4 – сталевыпускное  отверстие; 5 – электрическая дуга; 6 – сферический под; 7 – рабочее  окно; 8 – заслонка; 9 – электроды

Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью  до 125 тысяч киловатт.

Источником тепла в дуговой  печи является электрическая дуга, возникающая между электродами  и жидким металлом или шихтой при  приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000о С. Дуга, как известно, может возникать при постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно.

После расплавления шихты, когда ванна покрывает ровным слоем шлака, дуга стабилизируется и горит ровно.

Выплавка стали в кислых электродуговых печах

Электродуговые печи с кислой футеровкой обычно используются при выплавке стали  для фасонного литья. Емкость  их составляет от 0,5 до 6,0-10 т. Кислая футеровка более термостойкая и позволяет эксплуатировать печь с учетом условий прерывной работы многих литейных цехов машиностроительных заводов. Основным недостатком печей с кислой футеровкой является то, что во время плавки из металла не удаляются сера и фосфор. Отсюда, очень высокие требования к качеству применяемой шихты по содержанию этих примесей.

Плавление в кислой печи длится примерно так же, как в основной печи (50-70 мин). В окислительный период удалятся меньшее количество углерода (0,1 - 0,2 %) и из-за повышенного содержания FeO в шлаке металл кипит без присадок железной руды. Содержание SiO2 в шлаке к концу окислительного периода повышается до 55 - 65 %. Когда металл нагрет, начинается восстановление кремния по реакции:

(SiO2) + 2[C] = [Si] + 2COгаз

К концу окислительного процесса содержание Si в металле увеличивается до 0,4 %.

Плавка с рафинированием в ковше  печным шлаком.

Применяется на печах емкостью 100 - 200 т. После окончания окислительного периода и раскисления металла  наводят новый шлак с высоким содержанием СаО. В течение 40 - 60 мин шлак раскисляют молотым коксом и ферросилицием. Перед выпуском в шлак дают CaF2. Высокое (10 - 20 %) содержание CaF2 обеспечивает высокую рафинирующую способность шлака. При выпуске из печи вначале выпускают в ковш жидкий шлак и затем мощной струей металл. Перемешивание металла со шлаком обеспечивает высокую степень рафинирования от примесей (от серы) и неметаллических включений. Одной из форм рафинирования стали в ковше можно считать технологию синтетических шлаков на основе СаО - Al2O3. В этом случае требуются дополнительные затраты для плавления шлака.

Плавка стали в индукционной печи.

В индукционных печах для выплавки металла используется тепло, которое  выделяется в металле за счет возбуждения в нем электрического тока переменным магнитным полем. Источником магнитного поля в индукционной печи служит индуктор. Проводящая электрический ток шихта, помещенная в тигель печи, подвергается воздействию переменного магнитного поля, возникающего от индуктора, нагревается в следствие теплового воздействия вихревых токов.

По сравнению с дуговыми электропечами  индукционные печи имеют ряд преимуществ: отсутствие электродов и электрических  дуг позволяет получать стали  и сплавы с низким содержанием  углерода и газов; плавка характеризуется низким угаром легирующих элементов, высоким техническим КПД и возможностью точного регулирования температуры металла.

Вода

Рисунок 7. Схема индукционной печи:

1 – каркас; 2 – подовая плита; 3 – водоохлаждаемый  индуктор; 4 – изоляционный слой; 5 – тигель; 6 – абсоцементная  плита; 7 – сливной носок; 8 – воротник; 9 – гибкий токоподвод; 10 – опорные  брусья

Индукционная  печь состоит из огнеупорного тигля, помещенного в индуктор. Индуктор представляет собой соленоид, выполненный из медной водоохлаждаемой трубки. Ток к индуктору подается гибкими кабелями. Воду для охлаждения подводят резиновыми шлангами. Вся печь заключена в металлический кожух. Сверху тигель закрывается сводом. Для слива металла печь может наклоняться в сторону сливного носка.

Тигель  печи изготавливается набивкой или  выкладывается кирпичом. Для набивки  используют молотые огнеупорные  материалы - основные (магнезит) или  кислые (кварцит).

Поскольку плавка в индукционной печи происходит очень быстро, шихта для нее  используется, как правило, из высококачественного  металлолома известного состава. Перед  плавкой происходит точный расчет шихты  по содержанию углерода, серы и фосфора, а также легирующих элементов. Шихту загружают в тигель таким образом, чтобы она плотно заполняла весь объем тигля. После загрузки шихты включают ток на полную мощность. По мере проплавления шихты загружают оставшуюся часть. Затем на поверхность металла загружают шлакообразующую смесь, состоящую из извести, магнезитового порошка и плавикового шпата. В процессе плавки шлак раскисляют добавками порошка кокса и молотого раскислителя. По ходу плавки добавляют легирующие материалы. Металл раскисляют кусковыми ферросплавами и в конце плавки алюминием.

В индукционных печах выплавляют, как правило, стали  и сплавы сложного химического состава.

Разливка  стали 

Из сталеплавильного агрегата сталь выпускается в  сталеразливочный ковш, предназначенный  для кратковременного хранения и разливки стали. Сталеразливочный ковш (рис. 8) имеет форму усеченного конуса с большим основанием вверху. Ковш имеет сварной кожух, изнутри футеруется огнеупорным шамотным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостового крана или на специальной железнодорожной тележке.

Сталь из ковша  разливают через один или два  стакана, расположенных в днище  ковша. Отверстие закрывают или  открывают изнутри огнеупорной  пробкой при помощи стопора.

Емкость сталеразливочных ковшей достигает 480 т.

В сталеплавильных цехах сталь из ковша разливают либо в изложницы, либо на машинах непрерывной разливки.

Рис.9.Схема сталеразливочного ковша

Рис 8. Схема разливки стали по изложницам

A – разливка сверху: 1 – сталеразливочный  ковш; 2 – изложница; 3 – поддон;

Б – разливка сифоном: 1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая трубка; 3 –  прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонные трубки

Сталь разливают в изложницы  или кристаллизаторы установок  для непрерывной разливки.

Изложницы представляют собой чугунные формы для получения слитков  различного сечения. Масса слитков  для прокатки обычно составляет 10...12 т (реже —до 25 т), а для поковок достигает 250...300 т. Легированные стали иногда разливают в слитки массой в несколько сотен килограммов.

Применяют два способа разливки стали в изложницы: сверху и сифоном.

При разливке сверху (рис.10,а) сталь заливают из ковша 2 в каждую изложницу 1 отдельно. При такой разливке поверхность