Производство стали

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.

Раскисление стали синтетическими шлаками

Основано на экстрагировании кислорода или закиси железа из стали шлаком при заливке металла в жидкий синтетический шлак. Хороший контакт фаз, большая удельная поверхность, на которой осуществляется переход кислорода, обеспечивают глубокое раскисление с одновременной десульфурацией.

Раскисление под вакуумом осуществляется наложением вакуума на сталь в сталеразливочном ковше или на струю стали при разливке. При этом удаляются растворенные в стали газы, а с ними и растворенный кислород. Кроме того, активность углерода под вакуумом возрастает и он оказывает сильное раскисляющее воздействие.

Одновременно с раскислением марганцем, кремнием, алюминием происходит легирование стали избытком этих элементов. Неокисляющиеся добавки, например никель, кобальт, вводят в шихту. Легко окисляющиеся добавки вводят в сталь после полного ее раскисления, однако и в этом случае происходит их значительный угар. Так, угар титана составляет 40 — 60%.

Статья на тему Раскисление стали

История

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию. В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область), однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке.

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол. C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли. В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные. В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки. Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году, а в Китае они были известны со времени династии Мин, которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи.

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9 516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США.

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США. Технология бессмеровского процесса () и мартеновской печи () впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов, а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, ). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона. Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, ) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Разновидности некоторых сталей

Свойства стали

Физические свойства

• плотность ρ ≈ 7,86 г/см3; коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10−6 K−1;
• коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K);
• модуль Юнга E = 210 ГПа;
• модуль сдвига G = 80 ГПа;
• коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30;
• удельное электросопротивление (20 °C, 0,37—0,42 % углерода) = 1,71·10−7 Ом·м.

Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих.

Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность.

Кремний и марганец (в пределах 0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают. Эти элементы вводятся в большинство углеродистых и низколегированных марок сталей во время операции раскисления (сначала — ферромарганец, затем — ферросилиций, как дешевые раскисляющие ферросплавы).

Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

Фосфор также является вредной примесью, т. к. придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию. Однако существует группа сталей с повышенным содержанием фосфора, так называемые — «автоматные стали», металлоизделия из которых легко поддаются обработке резанием (например, болты, гайки и пр. на револьверных токарных станках-полуавтоматах).

Феррит — железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой. Сплавы на его основе обладают мягкой и пластичной микроструктурой.

Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe₃C, наоборот, придаёт стали твёрдость. При появлении в структуре заэвтектоидной стали свободного цементита (при С более 0,8 %) пропадает четкая связь между содержанием углерода и комплексом механических свойств: твердостью, ударной вязкостью и прочностью.

Перлит — эвтектоидная (мелкодисперсная механическая смесь) смесь двух фаз — феррита и цементита, содержит 1/8 цементита (точнее — согласно правилу «рычага», если пренебречь растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре — 0,8/6,67) и поэтому имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

Производство высокопрочного чугуна

При производстве высокопрочного чугуна большое место отводится науглероживанию железа. Чугун с такими характеристиками образуется, когда восстановленное в доменной печи из рудного материала железо принимает в себя много углерода и прочих элементов. Начало процесса науглероживания железа характеризуется его образованием в губчатом состоянии на участке печи, где действует температура до 500°С. Только что восстановленное железо выступает в качестве катализатора, способствующего распаду окиси углерода на два компонента: двуокись и сажистый углерод. В итоге распада окиси углерода от температуры 550-650°С получаются карбиды железа, прочих металлов. Наделенный особой активностью, сажистый углерод активно вступает в химическое взаимодействие с частицами железа.

При температуре в 1000°С и больше карбид железа распадается на железо с углеродом. С ростом количества углерода температура в процессе плавления становится существенно ниже. Так, чистое железо расплавляется при температуре от 1539°С, а сплав его с углеродом способен плавиться уже от 1147°С. Плавление сплава происходит в зонах доменных печей, где действуют высокие температуры, то есть внизу шахты. Образующийся жидкий сплав и есть чугун. При стекании вниз он, омывая раскаленные части кокса, еще больше науглероживается.

Науглероживание металла завершается ниже уровня шлаковой летки – в металлоприемнике. Здесь на соотношение углерода с металлом оказывает влияние содержание других компонентов. Итоговое наполнение углеродом при производстве серого чугуна, например, может зависеть от стойкости карбидов, которая в большой степени определяется содержащимися в чугуне примесями. Например, примесь марганца способствует науглероживанию металла, так как он входит в состав карбида, растворяющегося в чугуне. Аналогичное действие оказывают ванадий, хром, титан. Кремний с фосфором или сера препятствуют образованию карбидов. Из-за этого ферромарганец и зеркальные чугуны всегда содержат больше углерода, чем чугуны передельные, ферросилиций или полученные в литейном производстве чугуны.

В ходе плавления восстанавливается не только само железо, но и ряд различных элементов, находившихся в рудной массе. В составе шихтовых материалов в печи, помимо окислов железа, поступают еще окислы и отдельные химические элементы, такие как марганец, хром, ванадий, титан, свинец, медь, цинк, мышьяк и др. Они в полностью или частично восстановленном виде вместе с частицами серы попадают в чугун и влияют на его свойства в худшую или в лучшую сторону. В основах производства чугуна считается, что чаще всего ценными примесями служат кремний с марганцем, а вредоносными – сера с фосфором.

Наличие в чугуне серных компонентов можно уменьшить до оптимального предела путем внедоменного обессеривания. Если выдержать чугун с 2% марганца в ковше-чугуновозе или миксере, то некоторый объем серы в различных ее соединениях с марганцем перейдет из состава металла в шлак. Это возможно благодаря уменьшению растворяемости данного соединения в металлах от снижения температуры. Подобное обессеривание в ковше чугуна может достичь 60%. Кроме этого существуют еще методы внедоменного обессеривания чугунов. В производствах чугуна в мире довольно часто в этих целях используют обессеривающие присадки, такие как известь, кальцинированная сода или металлический магний.

Топливо для плавки

Как было отмечено выше, в качестве топлива используют кокс. Но, помимо этого, допустимо использование мазута, угольной пыли и природного, а также коксового газов. Тем не менее практически всегда в качестве основного горючего применяют именно кокс. Это вещество, которое образуется при удалении летучих газов из угля при температуре от 900 до 1 200 градусов. Сегодня это единственный вид твердого топлива, который сохраняет свою исходную форму во время движения от колошника к горну. В принципе, к этому материалу выдвигаются жесткие требования, которые касаются механической прочности и жесткости, что нужно для восприятия больших нагрузок в нижней части доменной печи

Крайне важно выдерживать фракцию кокса. Слишком мелкие частицы способствуют газопроницаемости шихты, а слишком большие разрушаются и образуют мелкую фракцию

Помимо этого, необходимо соблюдать определенный процент влажности, что нужно для поддержания теплового режима.

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14—4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3—6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• передельный чугун — П1, П2;
• передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
• передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
• передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

• антифрикционный серый — АЧС;
• антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
• антифрикционный ковкий — АЧК;
• чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Обработка стали

Виды термообработки

Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путём деформирования (давления): ковать, вальцевать, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки, сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки:

• отжиг;
• нормализация;
• закалка;
• отпуск.

Чем богаче сталь на углерод, тем она твёрже после закалки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддаётся.

Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путём добавления различных химических веществ до определённой глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространённых целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твёрдости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышение износостойкости, повышение устойчивости к усталости и улучшение коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

• Цементация (C) увеличивает твёрдость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
• Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твёрдость и износостойкость стали.
• Цианирование и нитроцементация (N + C) — это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации — смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН₄ и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.
• Сульфатирование (S) — насыщение поверхности серой улучшает приработку трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

История стали

Самые ранние известные образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры. Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат, широко известный в Средней Азии и Восточной Европе. Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис. Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч, Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь, из которой ковался шамшир. В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана, вакидзаси и танто. Существует версия, что японские мечи XI—XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена. В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру.

Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман, однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню. В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм)

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.

Кислородно-конвертерный способ

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

Про электросталеплавильное производство

Сегодня практически любой сталелитейный завод имеет в своем составе дуговые сталеплавильные печи. Помимо этого имеют место и печи постоянного и переменного тока, однако они используются редко и объемы выплавки с них невелики. Но вот электродуговые печи пользуются большой популярностью. Обусловлено это тем, что в них можно получить сталь электропечного сортамента. Тут довольно просто получить высоколегированные и легированные стали. В это же время добиться таких же хороших результатов в мартеновских печах и конвертерах не удается. Обусловлено это тем, что в дуговой печи осуществляется быстрый нагрев, что позволяет добавить большое количество легирующих элементов. Наряду с этим защита металла от угара дает хороший результат

В принципе, тут имеется возможность не только плавной регулировки температуры, но и точной, что тоже немаловажно. Ввиду того, что этот метод только развивается, можно говорить о его перспективности

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%.

Заключение

Помимо рассмотренных нами, существуют и другие способы производства чугуна. К примеру, плавка в мартеновских печах. Но этот метод морально устарел, так как он слишком энергозатратный, хотя качество металла находится на хорошем уровне. Совсем другое дело – конвертерный способ, который, наоборот, только набирает популярность с каждым годом. К примеру, производство чугуна в России в конвертерах занимает около 30-45% от всего производства. Конвертерный метод обладает рядом существенных преимуществ, одно из них – высокая скорость плавки. Кроме того, из конвертера чугун переливается непосредственно в формы и используется по назначению. Стоит отметить, что остановить ДП невозможно, так как производство непрерывно. В крайнем случае имеет место консервация, при которой кокс тлеет в горне. Если же доменная печь останавливается, то проще построить новую, нежели запустить старую.