Виплавка сталі: технологія, способи, сировину

Залізну руду отримують звичним способом: відкритої або підземним видобутком і подальшим транспортуванням для первинної підготовки, де матеріал подрібнюється, промивається і переробляється. Руду засипають в доменну піч і піддають струминної обробки гарячим повітрям і теплом, який перетворює її в розплавлене залізо. Далі воно витягується з нижньої частини печі форми, відомі як свині, де відбувається охолодження для одержання чавуну. Він перетворюється в коване залізо або переробляється в сталь кількома способами.

Що таке сталь?

Спочатку було залізо. Воно є одним з найбільш поширених металів у земній корі. Його можна зустріти майже скрізь, у поєднанні з багатьма іншими елементами, у вигляді руди. У Європі початок роботи з залізом датується 1700 р. до н. е. У 1786 році французькі вчені Бертолле, Мондж і Вандермонде точно визначили, що різниця між залізом, чавуном і сталлю обумовлена різним вмістом вуглецю. Тим не менш сталь, виготовлена з заліза, швидко стала найважливішим металом промислової революції. На початку XX століття світове виробництво сталі склало 28 мільйонів тонн - це в шість разів більше, ніж у 1880 році. До початку Першої світової війни її виробництво становило 85 мільйонів тонн. Протягом декількох десятиліть вона практично замінила залізо. Вміст вуглецю впливає на характеристики металу. Існує два основних види стали: легована і нелегированная. Сплав сталі відноситься до хімічних елементів, відмінним від вуглецю, доданого до заліза. Таким чином, для створення нержавіючої сталі використовується сплав 17 % хрому і 8 % нікелю.


В даний час існує більше 3000 каталогізованих марок (хімічних складів), не рахуючи тих, які створені для задоволення індивідуальних потреб. Всі вони сприяють перетворенню стали найбільш підходящий матеріал для вирішення завдань майбутнього.

Сировина для виплавки стали: первинне і вторинне

Виплавка цього металу з використанням багатьох компонентів – найпоширеніший спосіб видобутку. Шихтові матеріали можуть бути як первинно використовувані, так і повторно. Основний склад шихти, як правило, становить 55 % чавуну і 45% решти металобрухту. Феросплави, перероблений чавун і технічно чисті метали використовуються як основний елемент сплаву, до вторинних, як правило, відносять всі види чорного металу. Залізна руда є самим важливим і основним сировиною у чорній металургії. Для виробництва тонни чавуну потрібно близько 15 тонни цього матеріалу. Для виробництва однієї тонни чавуну використовується близько 450 тонн коксу. Багато металургійні заводи застосовують навіть деревне вугілля. Вода - важлива сировина для чорної металургії. Вона в основному використовується для гасіння коксу, охолодження доменних печей, виробництва пари в дверях вугільної печі, роботи гідравлічного обладнання і видалення стічних вод. Для виробництва тонни сталі потрібно близько 4 тонн повітря. Флюс використовується в доменній печі для вилучення забруднень з плавильної руди. Вапняк і доломіт об'єднуються з экстрагированними домішками з утворенням шлаку.
Як дуттьові, так і сталеві печі, облицьовані вогнетривами. Вони використовуються для облицювальних печей, призначених для плавки залізної руди. Діоксид кремнію або пісок використовується для формування. Для виробництва сталі різних марок застосовують кольорові метали: алюміній, хром, кобальт, мідь, свинець, марганець, молібден, нікель, олово, вольфрам, цинк, ванадій і ін Серед всіх цих феросплавів марганець широко використовується у виплавці сталі. Залізні відходи, отримані з демонтованих конструкцій заводів, механізмів, старих транспортних засобів і т. д., переробляються і широко використовуються в цій галузі.

Чавун для сталі

Виплавку сталі з використанням чавуну виробляють набагато частіше, ніж з іншими матеріалами. Чавун - це термін, який зазвичай відноситься до сірого залозу, однак він також ідентифікований з великою групою феросплавів. Вуглець складає приблизно від 21 до 4 мас.%, тоді як кремній становить зазвичай від 1 до 3 мас.% в сплаві. Виплавка чавуну і сталі проходить при температурі плавлення між 1150 і 1200 градусів, що приблизно на 300 градусів нижче, ніж температура плавлення чистого заліза. Чавун також демонструє хорошу текучість, відмінну оброблюваність, стійкість до деформації, окислення і відливання. Сталь також є сплавом заліза з перемінним вмістом вуглецю. Вміст вуглецю в сталі становить від 02 до 21 мас.%, І це найбільш економічний легирующий матеріал для заліза. Виплавка сталі з чавуну корисна для різних інженерних і конструкційних цілей.

Залізна руда для сталі

Процес виплавки сталі починається з переробки залізної руди. Породу, що містить залізну руду, подрібнюють. Руду добувають з використанням магнітних роликів. Дрібнозерниста залізна руда переробляється в грубозернисті грудки для використання в доменній печі. Вугілля очищається від домішок в коксової печі, що дає майже чисту форму вуглецю. Потім суміш залізної руди і вугілля нагрівають для отримання розплавленого заліза або чавуну, з якого виробляється сталь.
В основній кисневої печі розплавлена залізна руда є основною сировиною і змішується з різними кількостями сталевого брухту і сплавів для виробництва різних марок сталі. В електродуговій печі перероблений сталевий брухт розплавляється безпосередньо в нову сталь. Близько 12% сталі виготовлено з переробленого матеріалу.

Технологія виплавки

Плавлення - процес, за допомогою якого метал отримують або як елемент, або як просте з'єднання з його руди шляхом нагрівання вище температури плавлення зазвичай у присутності окислювачів, таких як повітря, або відновників, таких як кокс. У технології виплавки сталі метал, який сполучається з киснем, наприклад оксидом заліза, нагрівається до високої температури, і оксид утворюється в поєднанні з вуглецем в паливі, яке як монооксид вуглецю або діоксид вуглецю.
Інші домішки, всі разом звані жилами, видаляються додаванням потоку, з яким вони поєднуються, утворюючи шлак. В сучасних плавках сталі використовується відбивна піч. Концентрована руда і потік (зазвичай вапняк) завантажуються в верхню частину, а розплавлений штейн (з'єднання міді, заліза, сірки і шлаку) витягується знизу. Друга термообробка в конвертерної печі необхідна для видалення заліза з матової поверхні.

Киснево-конвекторний спосіб

Киснево-конвертерний процес є провідним процесом сталеплавильного виробництва в світі. Світове виробництво конвертерної сталі в 2003 році склало 9648 млн тонн або 633 % від загального виробництва. Виробництво конвертера є джерелом забруднення навколишнього природного середовища. Основними проблемами цього є зниження викидів, скидів та зменшення відходів. Суть їх полягає у використанні вторинних енергетичних та матеріальних ресурсів. Екзотермическое тепло генерується реакціями окислення під час продувки. Основний процес виплавки сталі з використанням власних запасів:

Розплавлений чавун (іноді званий гарячим металом) з доменної печі виливається у великий вогнетривкий футерованих контейнер, званий ковшем.

Метал в ковші направляється безпосередньо для основного виробництва сталі або стадії попередньої обробки.

Високочистий кисень під тиском 700-1000 кілопаскалей вводиться з надзвуковою швидкістю на поверхню ванни заліза через охолоджувану водою фурму, яка підвішена в посудині і утримується в декількох футах над ванною.

Рішення про попередній обробці залежить від якості гарячого металу і необхідного кінцевого якості сталі. Найперші конвертери зі знімним дном, які можуть бути від'єднані і відремонтовані, все ще використовуються. Були змінені списи, використовувані для дуття. Для запобігання заклинювання фурми під час продувки застосовувалися щілинні манжети з довгим звужується мідним наконечником. Кінчики наконечника після згоряння спалюють CO, що утворюється при видуванні в CO 2 і забезпечують додаткове тепло. Для відведення шлаків використовуються дротики, вогнетривкі кульки і шлакові детектори.

Киснево-конвекторний спосіб: достоїнства і недоліки

Не вимагає витрат на обладнання з очищення від газу, так як пилоутворення, тобто випаровування заліза, зменшено в 3 рази. За рахунок зниження виходу заліза спостерігається зростання виходу рідкої сталі в 15 - 25 %. Перевагою стало й те, що інтенсивність продувки в такому способі збільшується, що дає можливість підвищити продуктивність конвертера на 18 %. Якість стали вище, тому що температура в зоні продувки знижена, що призводить до зменшення утворення азоту. Недоліки даного способу виплавки сталі призвели до зниження попиту на споживання, так як підвищується рівень споживання кисню на 7 % з-за великої витрати на спалювання палива. Спостерігається підвищений вміст водню в переробленому металі, з-за чого доводиться деякий час після закінчення процесу вести продувку за допомогою кисню. Серед усіх способів киснево-конвертерний володіє підвищеним шлакообразованием, причиною є неможливість стежити за процесом окислення всередині обладнання.

Мартенівський спосіб

Мартенівський спосіб протягом більшої частини 20-го століття складав основну частину обробки всієї сталі, виробленої в світі. Вільям Сіменс в 1860-х роках шукав засоби підвищення температури в металургійній печі, воскресивши старе пропозицію про використання відпрацьованого тепла, що виділяється піччю. Він нагрівав цегла до високої температури, потім використовував той же шлях для введення повітря в піч. Попередньо нагріте повітря значно збільшував температуру полум'я. Природний газ або розпорошені важкі масла використовуються в якості палива; повітря і паливо нагріваються до згоряння. Піч завантажується рідким доменним чавуном і сталевим ломом разом із залізною рудою, вапняком, доломітом і флюсами. Сама піч виготовлена з вогнетривких матеріалів, таких як магнезитовий цеглу для вогнищ. Вага мартенівських печей досягає 600 тонн, і їх зазвичай встановлюють групами, так що масивна допоміжне обладнання, необхідне для зарядки печей і обробки рідкої сталі, може бути ефективно використане. Хоча мартенівський процес практично повністю замінений у більшості промислово розвинених країн основним кисневим процесом і електродугового піччю, їм виготовляють близько 1/6 всієї сталі, виробленої в усьому світі.

Переваги та недоліки даного способу

До переваг відносять простоту використання і легкість в отриманні легованої сталі з домішкою різних добавок, які надають матеріалу різні спеціалізовані властивості. Необхідні добавки і сплави додають безпосередньо перед закінченням виплавки. До недоліків можна віднести знижену економічність, порівняно з киснево-конверторним способом. Також якість стали більш низький, порівняно з іншими методами виплавки металу.

Електросталеплавильний спосіб

Сучасний спосіб виплавки сталі з використанням власних запасів представляє собою піч, яка нагріває заряджений матеріал з допомогою електричної дуги. Промислові дугові печі мають розміри від невеликих одиниць вантажопідйомністю близько однієї тонни (використовуються в ливарних цехах для виробництва чавунних виробів) до 400 тонн одиниць, що застосовуються для вторинної металургії. Дугові печі, що використовуються в дослідницьких лабораторіях, можуть мати ємність всього кілька десятків грамів. Промислові температури електричної дугового печі можуть становити до 1800 °C (3272 °F), в той час як лабораторні установки можуть перевищувати 3000 °C (5432 °F). Дугові печі відрізняються від індукційних тим, що зарядний матеріал безпосередньо піддається впливу електричної дуги, а струм у висновках проходить через заряджений матеріал. Електрична дугова піч використовується для виробництва сталі, складається з вогнетривкої футеровки, зазвичай водоохлаждаемой, великих розмірів, покрита розсувним дахом. Піч в основному поділена на три секції:

Оболонка, що складається з бічних стінок і нижній сталевий чаші.

Осередок складається з вогнетриву, який витягає нижню чашу.

Дах з вогнетривкою футеровкой або водяним охолодженням може бути виконана у вигляді секції кулі або у вигляді усіченого конуса (конічна секція).

Переваги і недоліки способу

Даний спосіб займає лідируючі позиції в області виробництва сталі. Метод виплавки сталі застосовується для створення високоякісного металу, який або зовсім позбавлений, або містить незначну кількість небажаних домішок, таких як сірка, фосфор і кисень. Головним плюсом методу є використання електроенергії для нагрівання, завдяки чому можна легко контролювати температуру плавлення і досягти неймовірної швидкості нагрівання металу. Автоматизована робота стане приємним доповненням до прекрасної можливості якісної переробки різного металевого брухту. До недоліків можна віднести велику енергоспоживання.