Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.

Особенности процесса

Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.

Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.

Расплавление породы

На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием - оксидом кальция (CaO) - распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.

Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.

Кипение ванны расплавленного металла

Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.

Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.

На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.

Раскисление металла

Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.

Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.

Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.

Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.

Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.

Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:

• спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
• полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.

Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).

Необходимое оборудование

Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.

Участок кислородных конверторов:

• системы обеспечения аргоном;
• сосуды конверторов и их несущие кольца;
• оборудование для фильтрации пыли;
• система для удаления конверторного газа.

Участок электропечей:

• печи индукционного типа;
• дуговые печи;
• емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
• участок складирования металлического лома;
• преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.

Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:

• очищение стали от серы;
• гомогенизация стали;
• электрошлаковый переплав;
• создание вакуумной среды.

Участок для реализации ковшовой технологии:

• LF-оборудование;
• SL-оборудование.

Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:

• крышки ковшей;
• ковши литейного и разливочного типа;
• шиберные затворы.

Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:

• поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
• оборудование для осуществления непрерывной разливки;
• вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
• лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
• промежуточные ковши и площадки для складирования;
• пробочный механизм;
• мобильные мешалки для чугуна;
• оборудование для обеспечения охлаждения;
• участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
• внутренние транспортные средства рельсового типа.

Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.

До н.э. в Европе уже повсюду производили кованое железо. Многие великолепные Греческие и Римские здания были построены из камня с применением железных инструментов в форме бабочки, покрытых свинцом. В 500 году до н. э. этруски, жившие на западном побережье Италии производили более 4,5 тысячи килограмм железа в год. Ковку железа осуществляли в кузнице, а для поддержания огня использовали древесный уголь. Огонь раздували при помощи специальных мехов, сшитых из шкур животных. Позже маленькие каменные печи разобрали, и начали массовую выплавку железа. Руду к печам доставляли на парусных судах. В связи с тем, что метод обработки руды, который использовали этруски, был малоэффективен, ее запасы быстро истощились. К тому же производство древесного угля резко сократило количество лесов на западе Италии.

Первая сталь была создана кельтами около 200 года н. э. Они резали кованое железо на тонкие полоски и складывали их в контейнер с обожженными костями и углем, после чего все это нагревали в печи в течение 10-12 часов на очень сильном огне. В результате поверхность металла обогащалась углеродом. Затем они эти полоски сваривали между собой посредством ковки и таким образом создавали ножи. Эти ножи стали предшественниками клинков, которые мы ошибочно называем дамасскими. Кельтский процесс производства стали в 1050 году был скопирован викингами и немцами. С тех пор в этих странах производили стальные клинки, метод изготовления которых, был строго засекречен. Дамасскую сталь производили в Пакистане и в виде булатных заготовок отправляли в Сирию, где изготавливали знаменитые дамасские клинки. Процесс производства дамасской стали очень сложный, поскольку ее необходимо было нагревать до очень высокой температуры, и если температуру превысить, то материал мог разрушиться.

Со временем температура плавления железа в печах становилась все выше, поэтому полученное железо, содержало 3-4% углерода. Оно было хрупким и подходило только для литья. Из него нельзя было делать ножи и детали для транспорта. К тому же к этому времени огромная часть лесов в Европе была вырублена для строительных целей и производства древесного угля. Тогда король Англии издал указ о том, что леса вырубать больше нельзя, и производителям стали пришлось придумать способ переработки угля в кокс. В Англии разработали метод лужения стали, при этом они смешивали расплавленное железо, с силикатом железа и оксидом железа. Силикат железа является одним из компонентов кованого железа.

Печи, работающие на угле, назвались кричным горном. Один работник должен был помешивать полученную смесь, в результате чего образовывался диоксид углерода, поэтому температура плавления железа становилась выше, и начинался процесс лужения. Внутрь помещались крупные куски весом от 90 кг до 130 кг. Другой работник с помощью пары больших щипцов брал эти куски и помещал под пресс, чтоб из них выдавить силикат железа. После пресса куски помещали в прокатный стан, где из них формировались полоски кричного железа. Эти полоски нарезали на короткие кусочки и соединяли между собой, после чего помещали их в углубление, заполненное углеродом, и нагревали до температуры сварки. После этого полоски кричного железа снова отправляли в прокатный стан и получали сортовое железо. Этот способ использовали не только в Европе, но на востоке Соединенных Штатов.

Чтоб получить сталь, тонкий сортовой прокат помещали в углубление, заполненное углеродом, полученным в результате сожжения костей, и нагревали при высокой температуре в течение нескольких дней. Углерод поглощался железом, и в результате получалась пузырчатая сталь. Пузырчатой называли цементную сталь или томленку. Это понятие появилось благодаря внешнему виду полосок, извлеченных из углеродной ямы, которые были покрыты пузырями. После этого полоски складывали вместе и ковали, затем снова складывали и ковали, таким способом получали сталь высокого качества.

Англия нуждалась в высококачественной стали, чтоб создать флот, который смог бы пресечь океан. Один предприимчивый англичанин заметил, что стеклодувы в своих печах могут получать очень высокую температуру. Он взял полоски пузырчатой стали и поместил их в керамический тигель, после чего поставил емкость в печь стеклодувов. В результате сталь расплавилась, силикат железа испарился, а углерод остался, и получилась сталь очень высокого качества. На тот момент за процессом наблюдало много людей, и он не смог сохранить его в секрете. Таким способом получали литую сталь, из которой в США было сделано большое количество старых инструментов, с маркировкой «литая сталь». Многие ошибочно считают их литыми, что следует из названия.

Новый импульс производство стали получило, когда был изобретен Бессемеровский процесс производства стали. Такую сталь применяли для строительства крупных объектов, таких как плотина Гранд-Кули, потому как она не подвержена действию коррозии. В начале 20 века приступили к производству различных сплавов. Тогда в газовых мартеновых печах к железу стали добавлять марганец, хром, никель и другие элементы. Во время Второй мировой войны, когда потребность в металле возросла, производство сплавов получило новый мощный толчок. С тех пор был сделан огромный шаг в производстве и совершенствовании различных сталей.

Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно ковать, прокатывать, она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок.

Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладает высокой пластичностью, способностью хорошо свариваться, легко куется и прокатывается в горячем и холодном состояниях. Поэтому такая сталь является основным материалом для современного машиностроения, транспорта и других отраслей народного хозяйства страны.

В древности мягкую сталь (техническое железо) получали непосредственно из руд в тестообразном состоянии. Позднее научились получать сталь из чугуна в кирпичном горне, также в тестообразном состоянии. В 1740 г. в Англии стал применяться способ получения жидкой стали в тиглях, задолго до того известный на Востоке. С 1784 г. начали применять пудлингование - получение стали в тестообразном состоянии из чугуна окислением его примесей на поду пламенной печи. Все эти способы были мало производительны, требовали больших затрат топлива и труда.

Бурный рост промышленности и железнодорожного транспорта во второй половине XIX в. потребовал громадного количества стали, а старые способы ее получения не могли удовлетворить эту потребность. Были созданы новые, более производительные способы плавки стали. В 1856 г. появился бессемеровский способ (названный по имени его изобретателя Г. Бессемера), а в 1878 г. - томасовский способ (предложенный С. Томасом) получения литой стали из жидкого чугуна в конвертерах. В 1857 г. крупный русский металлург П. М. Обухов получил привилегию на изобретенный им способ производства орудийной стали путем сплавления чугуна и мягкой стали. Орудийная сталь П. М. Обухова по качеству превосходила лучшие заграничные стали. С 1864 г. применяется мартеновский способ получения стали в пламенных печах (названный по имени его изобретателя П. Мартена), а с 1899 г. - способ производства стали в электропечах, основанный на применении явления электрической дуги, открытой в 1802 г. акад. В. В. Петровым.

Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора . Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (окись углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переводятся в окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак. При сгорании марганец и кремний образуют нерастворимые в металле окислы MnO и SiO 2 . При сгорании фосфора образуется его окись Р 2 О 5 , которая хорошо растворяется в металле. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести (состоящей преимущественно из СаО), которая и связывает Р2О5 в прочное соединение (СаО)4 Р2О5, нерастворимое в металле.

Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS; ее удаляют из металла с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимое в металле соединение MnS или нерастворимое соединение CaS.

В настоящее время в металлургии страны применяются следующие способы получения стали: конвертерный, мартеновский и электроплавка.

Электроплавка применяется, главным образом, для получения высококачественной стали и за последние годы усиленно развивается.

Технический прогресс в сталеплавильном производстве характеризуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов, широким применением кислородно-конверторного процесса и непрерывной разливки стали, повышением качества металла.

Производство стали

Сталью называют железоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 2 %. При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Mn, Si, S, Р и др.), за счет окисления кислородом воздуха и кислородом, содержащимся в руде. Снижению содержания углерода и примесей способствует закись железа FeO, которая образуется в начале плавки 2Fe+O 2 = 2FeO и далее C+FeO = CO+Fe. Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия) по следующим схемам:

Mn + FeO->MnO + Fe; Si + 2FeO->SiO 2 +2Fe; 2А1 + 3FeO->Al 2 O 3 +3Fe.

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (си), т.е. наиболее раскисленную. Такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая; кипящую сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, в ней имеются пузырьки газа СО, которые остаются в прокате. Кипящая сталь сваривается, удовлетворительно обрабатывается, но при температуре 10 °С проявляет хрупкость. Кипящая сталь дешевле спокойной. Полуспокойная сталь (пс) по свойствам занимает промежуточное положение между (сп) и (кп).

Выплавку стали осуществляют в мартеновских печах, в конвертерах и электропечах.

Мартеновский способ

Схема работы мартена A. Вдувание газо-воздушной смеси B. Теплообменник (нагрев) C. Жидкий чугун D. Горн E. Теплообменник (охлаждение) F. Выхлоп сгоревших газов

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного). Обязательное условие топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 …6 или 8... 12 часов. Производительность печи за одну плавку до 900 т. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

В мартеновских печах (9.3) помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. В мартеновских печах (9.3) может быть произведена переплавка металлического лома (до 60...70%), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали. Для интенсификации производства стали в мартеновских печах широко применяют кислород, что обеспечивает повышение производительности печей на 25...30 % Большую экономию топлива дает использование теплоты остывающих мартеновских печей, для чего используют принцип работы двухванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

Мартеновский способ производства стали, наиболее распространенный (90%), состоит в получении стали в мартеновской печи путем переплавки чугуна и лома металлов. При нагревании от газа, сгорающего в печи, происходит выгорание кремния, марганца и углерода. Процесс продолжается несколько часов, что дает возможность лаборатории определять химический состав выплавляемой стали в различные периоды плавки и получать сталь любого качества. Емкость мартеновских печей достигает 500т.

Конверторный способ получения стали.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 %" металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3...0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне. Далее при разливке осуществляется так называемое раскисление металла.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600 т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает резкое повышение производительности (на 40 % выше). Недостатки способа: повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

Мартеновская сталь лучщё и чище конвертерной. Конвертерная сталь содержит больше серы и фосфора, насыщена азотом и кислородом, содержит пузырьки воздуха, ухудшающие ее качество. Конвертерная сталь применяется для неответственных не сварных конструкций.

Кислородно-конвертерный способ

Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров кислорода. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

Электросталеплавильный способ

В результате электросталеплавильного способа, получают специальные и высококачественные стали. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 270 т. При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате прохождения тока через нагревательный элемент выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с применением шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты и примесей.

Благодаря шлакам, происходит связывание оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредные примеси, например, фосфор, серу.

Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговой переплав.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После мартеновской выплавки, сталь дополнительно переплавляют в вакууме, что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях.

Выбор способа всегда зависит от поставленных задач, удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов. Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.

Производство стали в дуговых электрических печах обладает рядом преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами, так как достигаемая в этих печах высокая температура позволяет выплавлять легированные стали, которые содержат тугоплавкие элементы,– вольфрам, ванадий и молибден. При электроплавке почти полностью удаляются из металла сера и фосфор, являющиеся вредными примесями.

Процесс получения доменного чугуна из руд и последующая переработка его в сталь связаны со значительными затратами топлива, флюсов, электроэнергии и др. Поэтому наряду с производством чугуна в доменных печах все шире используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд. Один из таких процессов осуществлен на Оскольском электрометаллургическом комбинате. Изготовленные из обогащенной железной руды окатыши загружают в шахтную печь. Восстановление железа из окатышей производится водородом и оксидом углерода, получаемых из смеси природного и доменного газов. В восстановительной зоне печи создается температура 1000...1100°С, при которой водород и оксид углерода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. В результате получаются металлизованные окатыши с содержанием железа 90...95%. Охлажденные окатыши поступают на выплавку высококачественных сталей в электропечах.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2%) и постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

Чтобы повысить механические свойства сталей и чугунов, к ним добавляют различные легирующие (улучшающие их свойства) вещества – кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь.

Легированные стали принято делить на низколегированные – с суммарным содержанием легирующих элементов не более 4%, среднелегированные – от 4–5 до 8–10% и высоколегированные – более 10%. В строительстве преимущественно применяют низколегированные стали. Введение соответствующих легирующих веществ повышает коррозийную стойкость, прочность, ковкость, упругость.

Сталь хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую механическую прочность и пластичность, чем чугун. Основным сырьем для получения стали, как уже говорилось, служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания примесей в нем путем их окисления.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Примеси, входящие в определенных количествах в состав стали, различным образом влияют на ее качества.

Углерод основной элемент, влияющий на свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода возрастает ее прочность, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Обычное содержание углерода в строительных сталях, предназначенных для изготовления стальных конструкций, должно быть не более 0,22%. Марганец является полезной примесью и имеется во всех сортах стали. Он ослабляет вредное влияние серы и повышает прочность стали. Содержание марганца в строительной стали составляет около 0,41–0,65%.

Кремний, как и марганец, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость. Содержание кремния в строительных сталях составляет не более 0,3%.

Сера является вредной примесью. Содержание серы в стали, применяемой для изготовления стальных конструкций, не должно превышать 0,055%.

Фосфор также является вредной примесью; его содержание не должно превышать 0,05%.

Металлургическая промышленность выпускает различные по качеству и назначению стали. Это объясняется тем, что элементы стальных конструкций воспринимают разнообразные по действию нагрузки: балки – изгиб, колонны – сжатие, некоторые части ферм и арматура в железобетоне – растяжение, подкрановые пути – удар, а изготовление стали, одинаково хорошо воспринимающей все виды нагрузок, связано с большими затратами.

Стальные изделия даже на фоне активного распространения высокопрочных пластиков сохраняют свои позиции на рынке. Углеродистые сплавы с разными характеристиками используются в приборо- и автомобилестроении, строительстве и на производствах. Уникальное сочетание упругости и прочности делает материал выгодным с точки зрения длительной эксплуатации. Соответственно, изделия служат дольше и дешевле обходятся в обслуживании. Но и это не все достоинства, которыми обладает сталь. Получение стали с применением современных технологий позволяет наделять структуру металла и дополнительными свойствами.

Общие сведения о технологиях производства

Главная задача технолога заключается в обеспечении процесса, при котором в заготовке уменьшается содержание углерода и всевозможных примесей, например серы и фосфора. Основой для заготовки выступает чугун. Стоит отметить, что печи для изготовления чугуна появились еще в средних веках, в то время как первое получение стали было реализовано только в 1885 г., и по сей день методы производства сплава развиваются и улучшаются. Различия в подходах к процессу преимущественно обусловлены способом окисления углерода.

В качестве исходного материала используется литейный чугун. Он может быть применен в твердом или расплавленном виде. Также могут применяться железосодержащие изделия, получение которых осуществлялось путем прямого восстановления. Практически все способы получения стали в том или ином виде также предусматривают процесс рафинирования от примесей. Например, конвертерная технология обеспечивает их выдувание кислородом.

Конвертерный метод

При таком способе в качестве основы может применяться расплавленный чугун, а также примеси и отходы в виде руды, металлического лома и флюса. Сжатый воздух подается через технологические отверстия на подготовленную основу, способствуя выполнению химических реакций. Также в процессе участвует тепловое воздействие, при котором происходит окисление кислорода и примесей. Особое значение имеют и характеристики печного сооружения, в котором обрабатывается сталь. Получение стали может происходить в агрегатах с разной футеровкой - наиболее распространены способы защиты конструкций огнеупорным кирпичом и доломитовой массой. По типу футеровки конвертерный метод подразделяется также на два других способа: томасовский и бессемеровский.

Томасовский способ

Особенностью данного метода является тщательная переработка чугуна, содержащего до 2 % фосфорных примесей. Что касается техники футеровки, то ее реализуют с применением и магния. Благодаря этому решению шлакообразующие элементы наделяются избыточным количеством оксидов. Процесс фосфорного горения выступает одним из ключевых источников тепловой энергии в данном случае. К слову, сгорание 1 % фосфорного наполнения повышает температуру печи на 150 °C. Томасовские сплавы отличаются малым содержанием углерода и чаще всего применяются в качестве технического железа. В дальнейшем из него изготавливают проволоку, и т. п. Кроме того, получение стали (чугунов) может применяться для выработки фосфористого шлака с целью дальнейшего использования в качестве удобрения на почвах с повышенной кислотностью.

Бессемеровский способ

Этот способ предполагает переработку основ, в которых содержится небольшое количество серы и фосфора. Но при этом отмечается и высокое содержание кремния - порядка 2 %. В процессе продувания в первую очередь происходит окисление кремния, что способствует интенсивному выделению тепла. В итоге температура в печи повышается до 1600 °C. Окисление железа происходит также интенсивно по мере сгорания углерода и кремния. При бессемеровском способе процесс получения стали предусматривает полный переход фосфора в сталь. Все реакции в печи идут быстро - в среднем 15 мин. Связано это с тем, что кислород, выдуваемый через чугунную основу, вступает в реакции с соответствующими веществами по всему объему. Готовая же сталь может содержать высокую концентрацию монооксида железа в растворенном виде. Данная особенность относится к минусам процесса, так как общее качество металла понижается. По этой причине технологи рекомендуют перед разливкой раскисливать сплавы при помощи специальных компонентов в виде ферромарганца, ферросилиция или алюминия.

Получение в мартеновских печах

Если в случае с конвертерным способом изготовления металла предусматривается обеспечение выжига воздушным кислородом, то мартеновский способ требует включения в технологический процесс железных руд и ржавого лома. Из этих материалов образуется кислород оксида железа, который также способствует выгоранию углерода. Сама же печь включает в основу конструкции плавильную ванну, которая закрывается жаропрочной кирпичной стенкой. Также предусматривается несколько камер регенераторов, обеспечивающих предварительный прогрев воздушной массы и газа. Регенерирующие блоки оснащаются специальными насадками, выполненными из огнестойкого кирпича.

Как и конвертеры, мартеновские плавильники функционируют периодически. По мере закладки новых партий шихты, то есть чугунной основы, поэтапно производится и сталь. Получение стали происходит медленно, так как переработка чугуна занимает около 7 ч. Но зато мартены позволяют регулировать химические свойства сплава путем внесения железных добавок в разных пропорциях - для этого используются руда и лом. На завершающей стадии формирования металла работа печи останавливается, шлак сливают, после чего добавляется раскислитель. Кстати, в такой печи можно получать и

Электротермический способ

На сегодняшний день электротермическое получение сталей считается наиболее эффективным. Так, по сравнению с мартеновскими печами и конвертером данная методика обеспечивает возможность более точного контроля качества стали - в том числе за счет регуляции химического состава. Отдельного внимания заслуживает и взаимодействие печных камер с воздушной средой. Электротермическая технология получения стали предусматривает минимальный доступ к воздуху, обуславливая уже другие преимущества. Например, это позволяет минимизировать скопления монооксида железа и посторонних частиц в сплаве, а также обеспечивать более эффективное выгорание фосфора и серы.

Высокий температурный режим на уровне 1650 °C дает возможность выполнять плавку проблемных шлаков, которые требуют термического воздействия на повышенных мощностях. Также в электропечах можно осуществлять за счет тугоплавких металлов, среди которых вольфрам и молибден. Однако есть и серьезный недостаток у данного метода получения сталей. Используемые печи требуют больших объемов энергии, что делает этот процесс самым дорогим.

Зависимость свойств металла от элементной базы

Эксплуатационные качества стали определяются набором химических элементов, которыми был наделен сплав в ходе изготовления. Одним из ключевых компонентов, благодаря которым данный металл обретает свои основные свойства в виде твердости и прочности, является углерод. Чем он выше, тем надежнее сталь. Марганец с кремнием особого влияния на качества материала не оказывают, но их использование необходимо в изготовлении некоторых для выполнения процесса раскисления. Негативное же воздействие на формирование изделия оказывают сера и фосфор. В зависимости от того, по какой технике выполнялось получение, может иметь разные концентрации данных элементов. В любом случае сера повышает ломкость металла, а также уменьшает свойства прочности и пластичности. Фосфор, в свою очередь, наделяет сталь хладноломкостью, которая в процессе эксплуатации может быть выражена хрупкостью.

Техники обработки сталей

Далеко не всегда процесс окончательного формирования структуры металла завершается после основного получения. В дальнейшем, с целью совершенствования характеристик изделия, могут применяться средства дополнительной обработки. К таким можно отнести деформационные методы в виде ковки, штамповки и вальцевания. Это помогает уже на этапе производства сформировать комплекс необходимых технических свойств, которыми будет обладать готовая сталь. Получение стали на выходе дает пластичную структуру, поэтому и технологии первичной переработки достаточно разнообразны. Так, помимо деформирования, могут применяться методы и нормализации.

Заключение

Сталь ассоциируется с надежностью и долговечностью. В случае с качественными изделиями этого вида такие характеристики оправданы. Например, отдельные марки обеспечивают довольно высокие качества прочности и упругости. В зависимости от того, по какой технологии выполнялось получение, применение стали может быть ориентировано на поддержание твердости, способность выдерживать динамические нагрузки и т. д. Наиболее выгодный с точки зрения технико-эксплуатационных свойств металл позволяет получать электротермический способ. Но в то же время он является и самым дорогостоящим, поэтому к данной методике прибегают только в особых случаях - для создания спецсталей.

Сталь — отнюдь не изобретение Нового времени. Способ ее получения был известен уже за 1000 лет до 11.14.1. i.i нашей эры. Однако до XIX в. сталь практически не испотьзовалась. поскольку ее производство было слишком сложным и дорогим. Быстрым и доступным оно стало лишь посте того, как Генри Бессемер изобрел в 1856 г. названный его именем конвертер.

Что делает сталь прочной?

В быту мы часто называем сталь железом. Однако железо — лишь исходный материал. Получают его из железной руды. В Европе выплавлять жстезо из руды первыми начали кельты около VII в. до н.э. Для этого руду нагревали в пламени древесного угля при усиленной подаче воздуха. Таким образом получается твердый, но хрупкий чугун с высоким содержанием углерода. Однако чугун не годится для ковки. Сталью называется сплав, в котором содержание углерода непревышает 2%. Ему можно ковкой и штамповкой придавать различные формы. Физические свойства стали зависят от метода охлаждения. Если охлаждать сплав медленно, он будет упругим и пластичным, при быстром охлаждении — твердым и хрупким.

Новые методы производства стали

Содержание углерода и других нежелательных примесей снижается так называемым фришеванием. Для этого чугун необходимо снова нагреть до жидкого состояния. С 1784 г. это делается в пудлинговой печи, нагреваемой каменным утлем. Чугун плавят на поду до тестообразного состояния, постоянно помешивая металлическими штангами для увеличения доступа кисторода. Бессемер усовершенствовал этот процесс, построив доменную печь: сквозь массу бедного фосфором чугуна продувался сжатый воздух, способствуя процессам окисления. Конвертер Бессемера выдавал за 20 минут столько же стали, сколько пудлинговая печь за целый день. На сходном принципе основан и изобретенный в 1864 г. мартеновский процесс. Позже появились кистородные конвертеры и электрические печи для выплавки стали.

1742 г.: Бенджамин Хантсман начал выплавлять сталь не в открытой печи с древесным углем, а в нагреваемом тигле.

1878 г.: Сидни Гилкрист Томас изобрел «томасовский процесс» для Удаления фосфорных примесей из железной руды в процессе плавки.

1952 г.: в Австрии начал работу первый в мире сталелитейный завод на основе ЛД-процесса. Имеющиеся в чугуне примеси удаляются в таком конвертере продувкой техническим кислородом.