Технология выплавки металлов кратко

Обновлено: 05.07.2024

В природе большинство металлов находится в виде химических соединений, входящих в состав минералов, образующих горные породы. Промышленной рудой называют горную породу, из которой целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Существуют четыре группы способов производства металлов:

Физические способы. Простейшим из них является прямое извлечение из природных источников (так добывают самородное золото). Некоторые металлы (платину) получают разложением природных соединений при нагревании.
Восстановление неметаллами. Реакции восстановления идут, как правило, при высоких температурах. В качестве восстановителей применяют такие вещества, как углерод или оксид углерода (для железа, олова и др.), сернистый газ или сульфиды (для меди, ниобия и др.) или водород (для вольфрама, молибдена и др.)
Электролиз в водных растворах (меди, хрома и др.) или расплавах солей (алюминия, магния и др.) применяется для получения химически активных металлов.
Восстановление металлами. Этот способ требует предварительного получения химически чистых металлов – восстановителей. Металл восстанавливают из оксидов (ванадий, барий и др.) или галогенных соединений (титан, цинк, бериллий и др.). Это самый дорогой способ.

Выплавка чугуна

Выплавка чугуна это процесс восстановление железа из окислов железной руды; науглероживание восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне; окислы пустой породы и зола топлива при этом связываются флюсом и переводятся в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Чугун выплавляют в доменных печах. Сущность процесса заключается в восстановлении окислов железа, входящих в состав руды.

Побочными продуктами доменной плавки является шлак и колошниковый газ. Из шлака производят стекловату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый газ используется как топливо.

Производство стали

Производство стали это процесс снижение содержания углерода и примесей в жидком чугуне до значений, определяемых маркой стали, окисление их газообразным кислородом с последующим переводом в газы и шлак; связывание примесей - серы и фосфора в соединения, способные переходить в шлак.

Чугун переделывают в сталь в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Выплавка стали в конвертерах наиболее производительна. Возможность быстро и точно регулировать температуру, создавать нужную атмосферу или вакуум делают плавку в электропечах наилучшим (а иногда и единственным) способом получения сталей со специальными свойствами.

Для улучшения качества стали разработаны новые технологические процессы: плавка в вакуумных печах, электрошлаковый переплав, ваккуумно-дуговой переплав и т.п.

Получение алюминия

Алюминий получают путем электролиза раствора окиси алюминия (глинозема) в расплавленном криолите, который проводят в специальной ванне, оборудованной катодным и анодным устройствами

Алюминий-сырец, образующийся в результате электролиза, собирается на дне ванны под слоем электролита. Извлекают алюминий из ванны через 2-4 суток, используя вакуум-ковш.

Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.

Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.

Что такое сталь?

Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.

В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн - это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.

Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.

В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.

Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное

Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.

Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.

Вода - важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.

Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.

Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.

Чугун для стали

Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун - это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.

Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.

Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.

Железная руда для стали

Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.

В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.

Технология выплавки

Плавление - процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.

В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.

В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.

Кислородно-конвекторный способ

Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.

Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.

Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:

Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.

Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO₂, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.

Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки

Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 - 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.

Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.

Мартеновский способ

Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.

Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.

Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.

Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.

Достоинства и недостатки данного способа

К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.

К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.

Электросталеплавильный способ

Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.

Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).

Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.

Печь в основном разделена на три секции:

Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).

Достоинства и недостатки способа

Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.

Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.

Первое железо известное человечеству носило космическое происхождение, а, точнее говоря, метеоритное. Как инструментальный материал оно стало использоваться примерно 4 тыс. лет до нашей эры. Технология выплавки металла несколько раз появилась на свет и терялась в результате войн и смут, но, как считают историки, первыми освоили выплавку хетты.

Стоит отметить, что речь идет о сплавах железа с небольшим количеством примесей. Химически чистый металл стало возможным получить лишь с появлением современных технологий. Данная статья расскажет вам в подробностях об особенностях производства металла методом прямого восстановления, кричном, губчатого, сыродутного, горячебрикетированного железа, коснемся изготовления хлорного и чистого вещества.

Железная руда

Для начала стоит рассмотреть способ производство железа из железной руды. Железо – элемент весьма распространенный. По содержанию в земной коре металл занимает 4 место среди всех элементов и 2 среди металлов. В литосфере железо представлено обычно в виде силикатов. Наибольшее его содержание отмечено в основных и ультраосновных породах.

Практически все горные руды содержат какую-то толику железа. Однако разрабатываются лишь те породы, в которых доля элемента имеет промышленное значение. Но и в этом случае количество пригодных для разработки минералов более чем велико.

Минеральные породы классифицируют по доле железа таким образом:

богатые – с содержанием металла более, чем 57%, с долей кремнезема менее 8–10%, и примесью серы и фосфора менее 0,15%. Такие руды не обогащаются, сразу отправляются на производство;
руда со средним содержанием включает не менее 35% вещества и нуждается в обогащении;
бедные железные руды должны содержать не менее 26%, и тоже обогащаются перед отправкой в цех.

Общий технологический цикл производства железа в виде чугуна, стали и проката рассмотрен в этом видео:

Разработка месторождений

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Далее рассмотрены технология, процессы изготовления железа.

Технологии производства железа

Все металлы и сплавы разделяют на цветные (вроде никеля, олова, цинка, меди и т.п.) и черные. К последним относятся чугун и сталь. 95% всех металлургических процессов приходится на черную металлургию, железо используется повсеместно.

Несмотря на невероятное разнообразие получаемых сталей технологий изготовления не так уж много. Кроме того, чугун и сталь – это не совсем 2 разных продукта, чугун – обязательная предварительная стадия получения стали.

Классификация продукции

И чугун, и сталь относят к сплавам железа, где легирующим компонентом выступает углерод. Доля его невелика, но он придает металлу очень высокую твердость и некоторую хрупкость. Чугун, поскольку содержит больше углерода, более хрупкий, чем сталь. Менее пластичен, но отличается лучшей теплоемкостью и стойкостью к внутреннему давлению.

Чугун получают при доменной плавке. Различают 3 вида:

серый или литейный – получают методом медленного остывания. Сплав содержит от 1,7 до 4,2% углерода. Серый чугун хорошо обрабатывается механическими инструментами, прекрасно заполняет формы, поэтому его используют для производства литьевых изделий;
белый – или передельный, получают при быстром остывании. Доля углерода – до 4,5%. Может включать дополнительные примеси кремния, графита, марганца. Белый чугун отличается твердостью и хрупкостью и в основном применяется для выплавки стали;
ковкий – включает от 2 до 2,2% углерода. Производится из белого чугуна путем длительного прогревания отливок и медленного длительного охлаждения.

Сталь может включать не более 2% углерода, получают ее 3 основными способами. Но в любом случае суть сталеварения сводится к отжигу нежелательных примесей кремния, марганца, серы и так далее. Кроме того, если получают легированную сталь, то в процессе изготовления вводят дополнительные ингредиенты.

По назначению сталь разделяют на 4 группы:

строительная – применяют в виде проката без термической обработки. Это материал для сооружения мостов, каркасов, изготовления вагонов и так далее;
машиностроительная – конструкционная, относится к категории углеродистой стали, включает не более 0,75% углерода и не более 1,1% марганца. Используется для производства разнообразных машинных деталей;
инструментальная – также углеродистая, но с низким содержанием марганца – не более 0,4%. Из нее производят разнообразный инструмент, в частности, металлорежущий;
сталь специального назначения – к этой группе относят все сплавы с особыми свойствами: жаропрочная сталь, нержавеющая, кислотоупорная и так далее.

Предварительный этап

Даже богатую руду перед выплавкой чугуна необходимо подготовить – освободить от пустой породы.

Агломерационный метод – руда дробится, размалывается и засыпается вместе с коксом на ленту агломерационной машины. Лента проходит через горелки, где под действием температуры загорается кокс. При этом руда спекается, а сера и другие примеси выгорают. Полученный агломерат подается в бункерные чаши, где охлаждается водой и продувается потоком воздуха.
Метод магнитной сепарации – руду дробят и подают на магнитный сепаратор, поскольку железо обладает способностью намагничиваться, минералы при промывании водой остаются в сепараторе, а пустая порода вымывается. Затем из полученного концентрата делает окатыши и горячебрикетированное железо. Последние допускается использовать для приготовления стали, минуя стадию получения чугуна.

Данное видео расскажет во всех подробностях о производстве железа:

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют из руды в доменной печи:

приготавливают шихту – агломерат, окатыши, кокс, известняк, доломит и прочее. Состав зависит от вида чугуна;
шихту скиповым подъемником загружают в доменную печь. Температура в печи – 1600 С, снизу подается горячий воздух;
при такой температуре железо начинает плавиться, а кокс гореть. При этом происходит восстановление железа: сначала при сгорании угля получают угарный газ. Угарный газ реагирует с оксидом железа с получением чистого металла и углекислого газа;
флюс – известняк, доломит, добавляется в шихту для перевода нежелательных примесей в форму, которую легче устранить. Например, оксиды кремния не плавятся при такой низкой температуре и отделить их от железа невозможно. Но при взаимодействии с оксидом кальция, получаемым разложением известняка, кварц превращается в силикат кальция. Последний плавится при такой температуре. Он легче, чем чугун и остается плавать на поверхности. Отделить его достаточно просто – шлак периодически выпускают через летки;
жидкий чугун и шлак по разным каналам стекают в ковши.

Полученный чугун в ковшах транспортируют в сталеплавильный цех или к разливочной машине, где получают чугунные слитки.

Выплавка стали

Превращение чугуна в сталь производится 3 способами. В процессе выплавки выжигается лишний углерод, нежелательные примеси, а также добавляются необходимые компоненты – при варке специальных сталей, например.

Мартеновский – самый популярный метод получения, поскольку обеспечивает высокое качество стали. Расплавленный или твердый чугун с добавкой руды или скрапа подают в мартеновскую печь и плавят. Температура – около 2000 С, поддерживается за счет горения газообразного топлива. Суть процесса сводится к выжиганию углерода и других примесей из железа. Необходимые добавки, если речь идет о легированной стали, добавляют в конце выплавки. Готовый продукт разливают в ковши или на слитки в изложницы.

Слитки после извлечения отправляются на обжимные станы. Обжим изменяют структуру и механические свойства сплава. После обжима слиток превращается в заготовку и отправляется в прокатный цех.

Кислородно-конвертный метод – или бессемеровский. Отличается более высокой производительностью. Технология включает продувку сквозь толщу чугуна сжатого воздуха под давлением в 26 кг/кв. см. При этом углерод сгорает, и чугун становится сталью. Реакция экзотермическая, так что температура при этом повышается до 1600 С. Чтобы повысить качество продукции, сквозь чугун продувают смесь воздуха с кислородом или даже чистый кислород.
Электроплавильный метод считается самым эффективным. Чаще всего его используют для получения многократно легированных сталей, так как технология выплавки в этом случае исключает попадание ненужных примесей из воздуха или газа. Температура в печидля производства железа достигается максимальная – около 2200 С за счет электродуги.

Прямое получение

С 1970 года стал использоваться и способ прямого восстановления железа. Метод позволяет миновать затратную стадию получения чугуна в присутствии кокса. Первые установки такого рода не отличались производительностью, но на сегодня способ стал довольно известен: оказалось, что в качестве восстановителя можно применять природный газ.

Сырьем для восстановления служат окатыши. Их загружают в шахтную печь, прогревают и продувают продуктом конверсии газа – угарный газ, аммиак, но в основном водород. Реакция происходит при температуре в 1000 С, при этом водород восстанавливает железо из оксида.

О производителях традиционного (не хлорного и т.п.) железа в мире поговорим ниже.

Известные производители

Самая большая доля месторождений железной руды приходится на Россию и Бразилию – 18%, Австралию – 14%, а также Украину – 11%. Крупнейшими экспортерами являются Австралия, Бразилия и Индия. Пик стоимости железа наблюдался в 2011 году, когда тонна металла оценивалась в 180 $. К 2016 цена упала до 35 $ за тонну.

К наиболее крупным производителям железа относят следующие компании:

Распространенность железа велика, способ добычи достаточно прост, да и выплавка в конечном счете – процесс экономически выгодный. Вместе с физическими характеристиками производство и обеспечивает железу роль главного конструкционного материала.

Сталь – это прочный материал и основной конструкционный материал для машиностроения. Он представляет сплав железа с углеродом, содержание которого в структуре составляет 0,01–2,14%. В состав также входят в незначительных количествах кремний, марганец и сера. Этот материал обладает исключительными механическими свойствами: твердостью и ковкостью, благодаря им он считается основным конструкционным материалом в машиностроении. Трудно представить, что могло бы заменить материал. Но активное развитие производство стали и других металлов. Из стали изготавливаются самые разнообразные изделия – от канцелярских скрепок до станин многотонных прессов и обшивки корпусов морских судов.

Процесс производства

Производится сталь плавкой. Исходным сырьем служат чугун, лом самой стали или чугуна, окатыши, флюсы и ферросплавы.

Сам чугун по природе – недостаточно твердый и хрупкий материал, поэтому имеет ограниченное применение.

Однако, он незаменим в качестве сырья для получения стали. Суть плавки состоит, в случае применения передельного чугуна, в снижении процентного содержания углерода в нем до требуемого уровня.

Выводятся не предусмотренные в конечной рецептуре примеси. Традиционный состав шихты представляет 55% чугуна и 45% стального лома (скрапа). Существует также рудный процесс, когда к компонентам добавляется рудный материал или скрап-процесс для переработки отходов машиностроительного производства.

Чтобы в процессе плавки примеси и углерод легче выводился из состава компонентов, они переводятся в газы и шлак. В первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом железо окисляется, образуя закись железа FeO.

Одновременно окисляются C, Si, Mn и P, при этом происходит отдача кислорода оксидом железа химически активным примесям. К массе шихты добавляют флюс для лучшего растворения металла: известняк или известь, боксит. В качестве топлива используют каменноугольную пыль, жидкий мазут, природный или коксовый газ.

Особенности процесса

Процесс производства стали происходит последовательно в три этапа.

Первый этап – расплавление породы. На этапе его проведения формируется расплав в ванне и окисляется металл, отдавая одновременно кислород кремнию, фосфору и марганцу.

Одна и главных задач этого этапа – удаление фосфора. Для ее осуществления требуется сравнительно невысокая температура и присутствие в достаточном количестве FeO. При взаимодействии ингредиентов фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 + P2O5.

Присутствие в шлаке более стойкого основания СаО вызывает замещение FeO. В результате оно связывает фосфорный ангидрит в другое соединение (CaO)4 х P2O5 + 4 Fe, чего и требовалось добиться.

Чистый Fe высвободился в расплаве, а фосфор образовал шлак, который удаляется с зеркала металла и утилизируется за ненадобностью. Поскольку фосфорный ангидрид преобразует состав шлака, процесс должен идти непрерывно.

Поэтому FeO должен непрерывно пополняться за счет загрузки новых партий железной руды и окалины, наводящих в расплаве железистый шлак.

Особенности второго этапа

Технология производства стали на втором этапе называется кипением стали. Основное назначение заключается в процентном снижении содержания углерода за счет окисления. FeO + C = CO + Fe.

Реакция окисления происходит более интенсивно при кипении и сопровождается поглощением тепла. Поэтому необходимо создавать постоянный приток тепла в ванну, а также для выравнивания температуры в расплаве.

При такой реакции окисления интенсивно выделяется газ оксида углерода CO, что вызывает бурное кипение в жидком агрегатном состоянии, по этой причине процесс называют кипением. Чтобы излишки углерода интенсивнее преобразовывались в окись, производство качественной стали предусматривает вдувание чистого кислорода и добавление в расплавленную структуру окалины. Поэтому таким важным является качество сырья для производства стали. Все исходные материалы проходят щепетильную проверку.

Немаловажным на этом этапе является вывод серы, благодаря чему повышается качество конечной стали. Используемая в компонентах сера, присутствует не в прямом виде, а в форме сульфида железа FeS.

При высоких температурах компонент также взаимодействует с оксидом СаО, образуя сульфид кальция CaS, который растворяется в шлаке, не соединяясь с железом. Это позволяет беспрепятственно выводить сульфид за пределы ванны.

Конвертерное производство стали

Раскисление

Третий этап – раскисление металла. После добавления кислорода (на предыдущем этапе) требуется снизить его содержание в чистой стали. Использованием О2 удалось добиться окисления примесей, но его остаточное присутствие в конечном продукте снижает качественные характеристики металла. Требуется удалить или преобразовать окислы FeO, связав кислород с другими металлами.

Для этого существуют два метода раскисления:

При диффузионном методе в расплавленный состав вводят добавки: алюминий, ферромарганец и ферросилиций. Они восстанавливают оксид железа и переводит в шлак. В шлаке оксид распадается и высвобождает чистое железо, которое поступает в расплав. Второй высвободившийся элемент – кислород улетучивается в окружающую среду.

Осаждающий метод предусматривает введение добавок, имеющих большее сродство с кислородом, чем Fe. Происходит замещение этими веществами железа в окисле. Они, как менее плотные, всплывают и выводятся вместе со шлаком.

Процесс раскисления продолжается при затвердевании слитка, в кристаллической структуре которого оксид железа и углерод взаимодействуют. В результате чего вместе с пузырьками азота, водорода он выводится.

Чем больше при раскислении выводится включений различных металлов, тем выше ковкость получаемой стали. Для проверки раскаленный кусок металла подвергают ковке, на нем не должны образовываться трещины. Такая проверка пробы говорит о правильном проведении процесса раскисления.

В зависимости от степени раскисления специалисты могут получить:

спокойную сталь полного раскисления;
кипящую раскисленную не полностью сталь, когда процесс выведения пузырьков угарного газа СО продолжается в ковше и изложнице.

Для получения легированных сталей с добавками некоторых металлов в расплавленный металл добавляются ферросплавы или чистые металлы. Если они не окисляются (Ni, Co, Mo), то такие добавки могут вводиться на любом этапе плавки. Более чувствительные к окислению металлы Si, Mn, Cr, Ti добавляют в ковш или, что обычно и происходит, в форму для отливки металла.

Существуют основные способы получения стали в сталеплавлении.

Мартеновский способ

Этот способ применяется для производства сталей высокого качества, применяемых в особо ответственных деталях машинах и точных механизмах.

В свое время он заменил трудоемкие и малопроизводительные тигельную и пулдинговую плавки, применявшиеся ранее.

Емкость загрузки одной отражательной печи, используемой при этом методе, достигает 500 тонн. Особенностью мартеновского способа является возможность переплавки не только передельного чугуна, но и металлургических отходов, металлического лома.

Температура нагрева жидкой стали достигает 2 тыс. градусов. Этот результат достигается специальной конструкцией мартеновской печи:

применением дополнительного тепла регенераторов, получаемого сжиганием коксовального или доменного газа в струе горячего воздуха;
отражения от свода закачиваемого газа в результате сгорание топлива в нем происходит над ванной с металлом, что способствует быстрому нагреву содержимого;
применением реверсирования нагревающего потока.

Мартеновская печь состоит из следующих элементов:

рабочего пространства с огнеупорной футеровкой стенок и завалочными окнами;
подины (основания) из магнезитового кирпича;
свода печи;
головки печи;
шлаковика для выведения пыли;
регенератора с перекидными клапанами.

Процесс плавки занимает от 4 до 12 часов. С целью ускорения процесса плавки объем закачиваемого кислорода превышает потребности, что повышает производительность плавки на 20–30%.

Конвертерный метод

В конверторах выплавляют сорта стали для производства автомобильного листа, инструментальной стали сварных конструкций и других стальных заготовок. По качеству они уступают мартеновскими применяются для изготовления менее ответственных изделий.

В них содержится больше примесей, чем при мартеновском изготовлении. Благодаря высокому объему загрузки одной печи до 900 тонн, способ считается самым производительным, поэтому получил широкое распространение.

Производство стали и другого вида металла этим методом основано на продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом под давлением 0,3–0,35 МПа, при этом металл разогревается до 1600 градусов. Плавка скоротечна и длится до 20 минут. За это время происходит окисление углерода, кремния и марганца, содержащихся в сырье, которые извлекаются из ванны с расплавом шлака.

Конвертер представляет сосуд ретортообразной (грушевидной) формы, состоящий из стальных листов с футеровкой изнутри. Для заливки чугуна и выпуска готовой стали используется одно отверстие, в него также загружается чугун и скрап.

Рождение стали

Особенности процесса

Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.

Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.

В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.

Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.

Окисляются C, Cr и Mn, снижая процентное содержание в структуре металла. Окисление сопровождается выделением тепла. Благодаря присутствию шлаков СаО и FeO до разогрева происходит выведение фосфора в самом начале продувки.

Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

Производство стали сегодня осуществляется в основном этим способом. На долю кислородно-конверторного производства совсем недавно приходилось до 60% мирового производства стали.

Однако, этот процент снижается в связи с появлением электродуговых печей (ЭДП). Продувка печей осуществляется чистым кислородом (99,5%) под высоким давлением.

Продукт кислородно-конвертерной печи представляет сталь с заданными химическими свойствами. Она поступает в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где материал застывает в форме блюма или плиты. Для получения определенных жестких параметров металл подвергается вторичной переработке.

Электросталеплавильный способ

Производство стали электрической плавкой обладает рядом неоспоримых преимуществ. Этот способ считается основным при выплавке высококачественных легированных сталей.

Достигаемая при этом высокая температура позволяет выплавлять стали, содержащие тугоплавкие металлы:

Высокое качество достигается практическим отсутствием в сталях фосфора, серы и кислорода. Этот способ также применяется для производства широкой номенклатуры строительных сталей.

Выделение тепла не связано с потреблением окислителя, а происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Она выделяется при прохождении электрической дуги или наведения вихревых токов. В зависимости от принципа работы печи подразделяются на электродуговые и индукционные.

Электродуговая печь способна принять одновременно от 3,5 до 270 тонн сырья:

жидкой стали из конвертеров;
скрапа;
железной руды.

Она имеет несколько электродов из графитосодержащего материала, к которым подводится электрическое напряжение. Время плавки составляет до 1,5 часа, при этом температура дуги достигает 6 тыс. градусов.

Особенности электроиндукционных печей

В электроиндукционных печах сталь выплавляют в небольших по объему (4,5–60 тонн) емкостях, именуемых огнеупорными тиглями. Вокруг тигля располагается индуктор, состоящий из большого количества витков провода.

При прохождении переменного тока внутри индуцируются вихревые токи большой силы, вызывающее плавление содержимого тигля. Электромагнитные силы одновременно перемешивают расплав стали. Продолжительность плавки в таких печах не превышает 45 мин.

Электросталеплавильный способ производит мало дыма, пыли и меньше излучает световой энергии. Однако, высокая стоимость электрооборудования при малой вместительности ограничивает применение этого способа.

Помимо рассмотренных вариантов, существуют не только основные способы производства стали. В современном сталеплавлении используется плавка в вакуумных индукционных печах и обогащение процентного содержания железа в окатышах плазменно-дуговым переплавом.

Виды получаемых сталей по химическому составу

Производимая этими методами сталь делится, в зависимости от химического состава, на две большие группы:

Процентное содержание элементов в углеродистой стали:

Наименование	Fe	С	Si	Mn	S	P
Содержание в процентах	до 99,0	0,05–2,0	0,15–0,35	0,3–0,8	до 0,06	до 0,07

В углеродистых сталях прочность недостаточно сочетается с пластичностью. Недостаток устраняется введением добавок других металлов, такая сталь называется легированной.

Согласно ГОСТ 5200 выделяют три группы легированных сталей с допустимым содержанием примесей:

низколегированная не более 2,5%;
среднелегированная в диапазоне 2,5–10%;
высоколегированная свыше 10%.

С каждым годом способы плавки усовершенствуются благодаря вводу в строй нового высокотехнологичного оборудования. Это позволяет получать в сталелитейной промышленности высококачественные стали с оптимальным содержанием добавок и металлов.

Читайте также: