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

ТЕМА 2. ВИРОБНИЦТВО СТАЛІ

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.

2.1. Суть процесу

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 МпО і Si0₂. Фосфор оксидується до Р₂0₅, який, сполучаючись з флюсом СаО, переходить у нерозчинний у металі фосфат кальцію (СаО)₃ • Р₂0₅. Сірку з розчиненого в металі сульфіду заліза FeS переводять у нерозчинний сульфід кальцію CaS. Утворені сполуки (МпО, Si0₂, (СаО)₃ • Р₂0₅), які ма­ють меншу від заліза густину, випливають на поверхню як шлак.

2.2. Виробництво сталі в кисневих конвертерах

Кисневий конвертер складається із сталевого кожуха 2 (рис.2.1.), 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.

Шихтовими 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.

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

5 Рис. 2.1.. Схема будови кисневого конвертера:

І — ванна; 2 — кожух;

З — футерівка; 4 — фурма;

5— отвір для виливання сталі
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:

2Fe + 0₂ = 2FeO + 527,36 кДж. (1.2.1)

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

2FeO + Si = 2Fe + Si0₂ + 330,50 кДж, (1.2.2)

5FeO + 2P = 5Fe + P₂0₅ + 225,94 кДж, (1.2.3)

FeO + Mn = Fe + MnO + 122,59 кДж. (1.2.4)

Оксиди Si0₂ і MnO 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:

Р₂0₅ + ЗСаО = (Са0)₃-Р₂0. + 676,72 кДж. (1.2.5)

Вміст фосфору в шлаці швидко зростає, наближаючись до насичення. Щоб продовжити дефосфоризацію, виливають шлак і насипають свіжу порцію СаО. Завдяки реакціям (1.2.1-1.2.5) температура металу помітно підвищується, активізуючи окси­дацію вуглецю:

FeO + С = Fe + СО - 153,93 кДж. (1.2.6)

Бульбашки СО, 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:

FeS + CaO = CaS + FeO. (1.2.7)

Наявні у металі вуглець і оксид заліза сприяють перебігу реакції (1.2.6), внаслідок чого в майбутньому зливку залишаєть­ся безліч порожнин, заповнених СО. 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:

FeO + Mn = Fe + MnO + 122,59 кДж, (1.2.8) 2FeO + Si = 2Fe + Si0₂ -I- 330,50 кДж, (1.2.9)

3FeO + 2A1 = 3Fe + A1₂0₃ + 884,00 кДж. (1.2.10)

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 спо- рідненіші — Si, Mn, Al, Cr, 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 вигар;

— труднощі, пов’язані з виплавленням сталей, що містять легкооксидівні елементи;

— процес вимагає значної кількості (до 80 %) рідкого чавуну.

До головних техніко-економічних показників виробництва сталі в кисневих конвертерах належать: продуктивність конвер­тера, витрата кисню на одиницю продукції, вихід рідкої сталі тощо.

Продуктивність великотоннажних конвертерів на 250...400 т сягає 400... 500 т сталі за годину, що істотно перевищує цю ж характеристику мартенівських чи електросталеплавильних печей.

Витрата кисню становить 50...60 м³ на тонну виплавленої сталі.

Вихід рідкої сталі відносно маси металу в шихті — 8Э...92 %.

2.3. Виробництво сталі в електропечах

В електропечах виробляють високоякісні конструкційні, інструментальні та спеціальні сталі з мінімальним вмістом шкідливих домішок й неметалевих вкраплень. Електростале­плавильні печі поділяють на дугові та індукційні.

Джерелом теплоти дугової електропечі є електрична дуга, що горить між електродом і шихтою.

Основою печі служить циліндричний корпус зі сферичним дном, який складається із сталевого кожуха 9 (рис. 2.1.) і футерівки 1 (основної або кислої). Корпус накритий знімним склепінням 5 з трьома отворами для графітизованих електродів 4. Кожен електрод закріплений в окремому електродотримачі 6 і може разом з ним незалежно від інших електродів переміща­тись у вертикальному напрямку. Живляться електроди від три­фазного трансформатора. В корпусі є вікно 8, заслонене відсувною плитою 7, Навпроти вікна розташовані виливний отвір З і жолоб 2. Довжина кожної дуги регулюється автоматично підніманням і опусканням електрода. Місткість дугових печей доходить до 400 т.

Рис. 2.1. Схема будови дугової електропечі:

1 — футерівка; 2 — жолоб; З — виливний отвір; 4 — електрод; 5 — склепіння;

5 — електродотримач; 7 — відсувна плита; 8 — вікно; 9 — кожух

Порожнину печі завантажують згори, попередньо піднявши і відвівши вбік склепіння разом з електродами або піднявши склепіння і викотивши корпус з-під нього. Після завантаження шихти піч накривають склепінням, електроди опускають, вми­кають струм і запалюють три незалежні дуги. Висока темпера­тура дуги сприяє швидкому розплавленню шихти. Крізь вікно контролюють плавлення і при потребі закидають у піч флюси, феросплави та легувальні речовини. Спеціальним механізмом (на рисунку не зображений) нахиляють піч для згрібання шла­ку і окремо для виливання металу.

Сталь виплавляють переважно в печах з основною футерів- кою, рідше з кислою методом з оксидацією домішок і значно рідше методом переплаву (без оксидації).

Метод з оксидацією вибирають для виплавлення конструк­ційних вуглецевих сталей. Шихтою служать металевий брухт (до 90 %), чушковий переробний чавун, залізна руда або окали­на, розбиті електроди або кокс, феросплави та флюси (вапно і плавиковий шпат). Процес складається із двох періодів — ок­сид аційного й відновлювального.

Протягом оксидаційного періоду в печі з основною футерів- кою відбувається оксидація кремнію, марганцю, вуглецю й частково заліза киснем пічної атмосфери й оксидами заліза. Оксидацію інтенсифікують, продуваючи розплавлений метал киснем. Утворені оксиди кремнію, марганцю й заліза перехо­дять у шлак, оксид фосфору зв’язується в хімічну сполуку з оксидом кальцію, а оксид вуглецю виходить з розплаву в ат­мосферу. Реакції оксидації подані в п. 1.2.3. Оксидація вугле­цю спричинює кипіння ванни й додаткове очищення металу від газів і шлаку.

Шлак зливають крізь вікно дугової печі у шлакову чашу, легко нахиляючи піч управо. Зливши шлак, у піч подають сві­жу порцію флюсу.

Відновлювальний період передбачає дезоксидацію, десуль- фурацію й доведення металу до заданого хімічного складу. У піч повторно подають флюси та активні дезоксидатори — по­дрібнені кокс і феросиліцій. Унаслідок реакцій

FeO + С = Fe + СО; (1.2.11)

FeO + Si = 2Fe + Si0₂ (1.2.12)

кількість оксиду заліза FeO у шлаці істотно зменшується, що спри­чинює перехід FeO з рідкого металу у шлак. Отже, особливість такої дезоксидації у тому, що дезоксидують шлак, а через нього — метал. Завдяки високій концентрації в шлаці СаО з металу акти­вно вилучається сірка відповідно з реакцією (1.2.7). Для остаточ­ної дезоксидації застосовують алюміній (див. реакцію (1.2.10)).

Методом переплаву одержують переважно леговані сталі і зводиться він по суті до розплавлення шихти з легованих від­ходів. Завдяки відсутності оксидаційного періоду процес істо­тно скорочується. Впродовж виплавлення не виключена част­кова оксидація деяких легувальних елементів. Рідку сталь де­зоксидують через шлак і при потребі додають легувальні еле­менти.

В індукційних електропечах змінний струм індуктора збуд­жує в металевій частині шихти потужні вихрові струми, які на­грівають і розплавляють шихту. В цих печах виплавляють дуже якісні жаростійкі, жароміцні та інші сталі.

Індукційна тигльова електропіч складається з тигля З (рис. 1.2.5), накритого знімною покришкою 4, корпуса 1 і водо- охолоджуваного індуктора 2. Тигель виготовляють з основних або кислих вогнетривких порошків, скріплених зв’язкою. Зняв­ши покришку, тигель завантажують шихтою. Рідкий метал ви­пускають з печі у розливний пристрій, нахиляючи її в бік роз­ливного носика 5.

Рис. 2.3. Схема індукційної тигльової печі:

1 — корпус; 2 — індуктор; З — тигель; 4 — покришка; 5 — носик

В індукційних печах сталь виробляють методом переплаву з шихтових матеріалів, що містять невелику кількість шкідли­вих домішок. Ці печі компактні, високопродуктивні, забезпе­чують незначні втрати легувальних елементів, конструкція печі дає змогу проводити плавлення в контрольованій атмосфері або у вакуумі. їхнім недоліком є малий коефіцієнт корисної дії на стадії розплавлення металу й низька температура шлаку. Цим пояснюється невисока активність шлаку та його обмежена здат­ність зменшувати в металі кількість шкідливих домішок.

Дата добавления: 2015-09-29