Виплавка сталі

Сталь виплавляється в трьох видах печей – в мартенівських регенеративних печах, бессемерівських конвертерах і електропечах.
Мартенівська піч – найбільш сучасна піч, призначена для виплавки головною маси сталі (рис. 84). Мартенівська піч на відміну від доменної не є безперервно діючою піччю.

Головна частина її – це ванна, куди через вікна спеціальною машиною завантажують необхідні матеріали. Ванна спеціальними ходами з’єднана з регенераторами, які служать для нагріву горючих газів і повітря, що подаються в піч. Нагрівання ж відбувається за рахунок тепла продуктів горіння, які час від часу пропускають через регенератори. Оскільки їх декілька, то працюють вони по черзі і по черзі нагріваються. Мартенівська піч може видавати до 500 т сталі за одну плавку.

Шихта мартенівської печі вельми різноманітна: до складу шихти входять чавун, металобрухт, руда, флюси (плавні) такого ж характеру, як і в доменному процесі. Як і в доменному процесі, при виплавці сталі здійснюється підігрів повітря і горючих газів в регенераторах за рахунок тепла відхідних газів. Паливом в мартенівських печах є або мазут, розпорошується форсунками, або горючі гази, які в даний час застосовуються особливо широко. Паливо тут служить тільки для підтримки високої температури в печі.
Процес виплавки сталі принципово відрізняється від доменного процесу, так як доменний процес – процес відновлювальний, а виплавка сталі -процес окислювальний, мета якого понизити вміст вуглецю шляхом його окислення в масі металу. Процеси, що протікають при цьому, досить складні.

Кисень, що міститься в руді і надходить з повітрям в піч для спалювання газоподібного палива, окисляє вуглець, а також значну кількість заліза, перетворюючи його в основному в окис заліза (II): 2Fe + О2 = 2FeO
Вміщені в чавуні марганець, кремній або які-небудь домішки інших металів при високій температурі відновлюють отриману окис заліза (II) знову до металевого заліза згідно рівняння: Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe Мn + FeO = МnО + Fe
Аналогічно реагує з окисом заліза (II) і вуглець: С + FeO = Fe + СО
В кінці процесу для відновлення залишилася окису заліза (II) (або, як кажуть, для «розкислення» її) додають «раскислители» – феросплави. Наявні в них добавки марганцю, кремнію відновлюють залишилася окис заліза (II) за вказаними вище рівнянням. Після цього плавка закінчується. Плавка в мартенівських печах ведеться 8-10 годин.

Бесемерiвський конвертор (рис. 85) – піч більш старого зразка, але з дуже високою продуктивністю. Так як конвертор працює без витрат палива, то цей спосіб виробництва сталі займає значне місце в металургії. Конвертор – грушоподібний сталевої посудину ємністю 20-30 т, футерованих зсередини вогнетривкою цеглою. Кожна плавка в конверторі триває 12-15 хвилин. Конвертор має ряд недоліків: він може працювати тільки на рідкому чавуні. Це пов’язано з тим, що окислення вуглецю ведеться повітрям, що пропускається знизу через всю масу рідкого чавуну, що значно прискорює плавку і підсилює інтенсивність окислення. Природно, що «угар» заліза в цьому випадку особливо великий. У той же час короткий термін плавки не дозволяє регулювати її, додавати легуючі домішки, тому в конверторах виплавляють головним чином вуглецеві сталі. Наприкінці плавки подачу повітря припиняють і, як і в мартенівському процесі, додають «раскислители».

У електропечах (рис. 86) виплавляється легована сталь спеціальних сортів, головним чином з високий і температурою плавлення, що містить кобальт, хром, вольфрам та інші добавки. Готову сталь направляють в прокатку. Там на величезних прокатних станах – блюмінгах і слябінгах – обжимають розпечені сталеві болванки за допомогою валків, що дозволяють виготовляти із сталевого злитка різноманітні форми.
Залізо у вигляді сплавів знаходить широке застосування в народному господарстві. Без нього не обходиться жодна галузь народного господарства. З метою економії чорних металів в даний час у міру можливості намагаються замінювати їх синтетичними матеріалами.
З чорних металів виготовляють верстати і автомобілі, літаки та інструменти, арматуру для залізобетонних конструкцій, жерсть для консервних коробок і покрівельне листове залізо, кораблі і мости, сільськогосподарські машини та балки, труби і цілий ряд побутових виробів.

Отримання сталі в електропечах

В даний час близько 30% світової виплавки сталі припадає на електропечі. Вони мають перевагу перед іншими плавильними агрегатами, так як в них можна отримувати високу температуру металу, створювати окисну, відновну, нейтральну атмосферу і вакуум, що дозволяє виплавляти сталь будь-якого складу, розкислють метал з утворенням мінімальної кількості неметалічних включень – продуктів розкислення. Тому печі використовують для виплавки конструкційних, високолегованих, інструментальних, спеціальних сплавів і сталей. Існують кілька груп печей: опору, дугові, індукційні, плазмові та електронно-променеві.

Дугові плавильні печі

Вони працюють на трифазному змінному струмі і мають три циліндричних електрода 9 з графітізірованной маси (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема дугового плавильної печі

Електричний струм від трансформатора по кабелях 7 підводиться до електротримачі 8, а через них – до електродів 9 і ванні металу. Між електродом і металевою шихтою 3 виникає електрична дуга, електроенергія перетворюється в теплоту, яка передається металу і шлаку випромінюванням. Довжина дуги регулюється автоматично, електроди принаймні згоряння нарощують, свінчівая з новими електродами. Сталевий під печі футерован вогнетривкою цеглою 1 – основним або кислим. Плавильне простір обмежений стінками 5, облицьованими вогнетривкою цеглою 4, подини 12 і склепінням 6 з вогнетривкої цегли. Подину набивають вогнетривкою масою, склепіння печі знімний. Хід плавки контролюють через вікно 10. Готову сталь випускають через випускний отвір по жолобу 2 в ківш. Піч має привід 11 для нахилу в бік робочого вікна або жолоба.

У основній дуговій печі можна здійснювати плавку двох видів: на шихті з легованих відходів (методом переплаву) і на вуглецевої шихті (з окисленням домішок). У першому випадку плавку ведуть без окислення домішок. У сталь вводять легуючі елементи у вигляді феррорасплавов. Порядок введення визначається спорідненістю легуючих елементів до кисню. Плавку на вуглецевої шихті з повним окисленням домішок проводять у тому випадку, якщо використовувані шихтові матеріали містять фосфор і значно відрізняються за складом інших елементів від заданої марки сталі.

Ємність дугових печей коливається в межах 0,5-400 т. При електровиплавке на 1 т сталевих злитків витрачається 600-1000 кВт-год електроенергії. Робоча напруга під час плавки становить 100-200 В на малих печах і 400- 600 В на великих, а сила струму вимірюється тисячами і десятками тисяч ампер.

Індукційні печі

В індукційній печі (рис. 4.7) металеву шихту 1 розплавляють в тиглі 5, розташованому всередині індуктора 4, який являє собою спіраль з багатьма витками з струмопровідного матеріалу.

Рис. 4.7. Індукційна тигельна плавильна піч:

а – схема; б – зовнішній вигляд; 1 – металева шихта – одержуваний чистий метал; 2 – знімний звід; 3 – зливний носок; 4 – індуктор; 5 – тигель

Через індуктор пропускають змінний струм. Для живлення печей малої ємності застосовують лампові і іскрові генератори з частотою струму до 106 Гц, для печей великої ємності – машинні генератори (до 104 Гц). Створюваний при цьому всередині індуктора змінний магнітний потік наводить у металі вихрові струми, які забезпечують сто нагрівання і плавлення. Тигель 5 виготовляють з кислих (кварцит) або основних (магнезитовий порошок) вогнетривів. В індукційних печах з основною футеровкою виплавляють високоякісні леговані сталі з високим вмістом марганцю, нікелю, титану, алюмінію, з кислою футеровкою – конструкційні леговані сталі з іншими елементами. Для зменшення втрат теплоти піч має знімний звід 2.

Важливою особливістю індукційних печей є інтенсивна циркуляція рідкого металу, що викликається взаємодією електромагнітних нулів, порушуваних, з одного боку, струмами, що проходять по индуктору, з іншого – вихровими струмами в металі. Електромагнітні сили чинять на рідкий метал статичне і динамічний вплив, в результаті чого його верхня частина віджимається від стінок тигля, а у всьому обсязі виникає електродинамічна циркуляція. Характер циркуляційних потоків рідкого металу показаний на рис. 4.7 стрілками.

Опуклий меніск утрудняє обробку металу шлаком, який стікає до стінок тигля; досить висока швидкість турбулентного руху металу підсилює знос футеровки.

Індукційні печі мають перевагу перед дуговими: в них відсутній електрична дуга, що дозволяє виплавляти сталь з низьким вмістом вуглецю, газів і малим чадом елементів. У них виплавляють сталь і сплави з легованих відходів методом переплавки або з чистого заліза і скрапу з добавкою феррорасплавов методом сплавлення. Ємність цих печей може коливатися в широких межах: 0,01-25 т.

Плазмові печі

Плавку сталі в плазменно-дугових печах (ПДП) застосовують для одержання високоякісних сталей і сплавів. Джерелом теплоти служить низькотемпературна плазма (3000 ° С), що отримується за допомогою плазмотронів. Подові ПДП по конструкції схожі зі звичайною дугового електропіччю. У них катодом дугового розряду постійного струму служать катоди плазмотронів, анодом – оброблюваний метал. Дуга обдувається потоком інертного газу (зазвичай аргону або гелію). Шихта швидко розплавляється, в нейтральному газовому середовищі відбувається дегазація виплавленого металу, легкоиспаряющиеся елементи, що входять до його складу, не випаровується. Плазмові високочастотні печі (ПВП) зазвичай застосовують для вирощування монокристалів і переробки чистих речовин.

Електронно-променеві печі (установки)

Перетворення електричної енергії в теплову відбувається безпосередньо в розплавленому металі як результат зіткнення з ним електронів, що вилітають з електронної гармати. Переплавляє метал подасться в піч у вигляді витрачається електрода, злитка, порошку і т.д. Розплавляючись, він стікає краплями в водоохолоджуваний кристалізатор (виливницю) або тигель. Плавка, що проходить при високій температурі і глибокому вакуумі, використовується для отримання особливо чистих тугоплавких металів і сплавів, злитків із сталі і сплавів для деталей особливо відповідального призначення тощо

Далі розглянуті методи переплаву в електрошлакових, плазменно-дугових і електронно-променевих печах. У агрегатах даного типу проводиться порівняно невелика кількість металу спеціального призначення. Можливо, в майбутньому вони знайдуть більш широке застосування. Поки основна маса електросталі, виробленої у світі, виплавляється в дугових печах, і йод словом “електросталь” розуміється саме сталь, виплавлена в дуговій сталеплавильній печі.

Мартенівська піч

Ще з давніх часів спосіб перероблення залізної руди свідчив про рівень розвитку цивілізації й оригінальність технічної думки інженерів того часу. І поступово людство перейшло від сиродутних печей до великих сталеплавильних агрегатів.

Так в кінці XIX століття з’явилася мартенівська піч. Завдяки універсальності щодо шихти, складу готової сталі, використовуваного палива вона тривалий час залишалася основним сталеплавильним агрегатом у світовій металургії.

Історія виникнення мартенівської печі

Мартен – піч полум’яного типу з регенерацією тепла продуктів горіння. Її конструкція розроблена великим французьким металургом П’єром-Емілем Мартеном і названа в його честь, хоча фактично вона являє собою вдосконалену модель регенеративної печі Сіменсу. До речі, у технічній літературі мартенівський спосіб отримання сталі також часто називається процесом Сіменса. Й, щоб зрозуміти, звідки назва «мартенівська піч» з’явилася у повсякденності металургів, давайте трохи заглибимося в історію XIX століття.

З 1850 по 1857 рік талановитий у різних сферах науки та техніки вчений Карл Вільгельм Сіменс розробляє принцип роботи плавильної печі з симетричною конструкцією, у якій метал нагрівається за рахунок подачі нагрітого повітря та забезпечується ефективна рекуперація тепла. У той самий час П’єр Мартен – син Еміля Мартена, власника металургійного заводу у французькому місті Сирей, і прогресивний інженер-металург – очолює батьківське підприємство й, як числені молоді вчені того часу, також починає активні наукові дослідження. Купивши у Сіменса патент на його винахід, Мартен бере за основу принцип регенерації теплової енергії в подовій полум’яній печі та забезпечує високу температуру плавлення сталі за рахунок нагріву не тільки повітря, а й газу, що подається до печі.

І вже 8 квітня 1864 року на заводі в м. Сирей була виконана перша успішна виплавка сталі. Удача надихнула Мартена, і він оформляє на свій винахід патент у Франції, а трохи пізніше в Англії. В результаті син і батько за свої досягнення в області виробництва сталі в 1867 році нагороджені золотою медаллю Всесвітньої виставки, організованої у Парижі, а запатентована Мартеном піч для виплавки сталі починає активно використовуватися як у Старому, так і у Новому Світі та набуває його ім’я. При цьому мартени, які почали масово зводитися у різних країнах і конкурувати з бесемерівський конвертером, зберегли принцип дії, але:

• могли мати стаціонарні або коливальні конструкції;
• працювали на рідкому та газовому паливі;
• мали подини кислі та основні;
• охолоджувалися водяною та випарною системою.

Схема та влаштування мартенівської печі

Мартенівська піч – це складний агрегат з горизонтально розташованим плавильним відділенням, складеним з вогнетривкої цегли і укладеним у жорсткий сталевий каркас з посилених балок, колон і облицювальних плит. Всі основні процеси відбуваються у робочому просторі, де ведуться спалювання палива і плавка сталі.

Краще зрозуміти, що таке мартенівська піч і які у неї габарити допоможе нижченаведений рисунок та таблиця з основними розмірами. Звертаємо увагу, що місткість найбільших мартенівських печей становила 650. 900 тонн.

Спрощена схема мартенівської печі:
1, 7 – регенератори, 2 – розплавлений лом і метал, 3 – завалочні вікна, 4 – робочий простір, 5 – звід, 6 – подина

Параметри поду та головного склепіння мартенівських печей

поду (місткість), тонни