Сталь – это сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 %.
Для производства стали используют следующие исходные материалы:
– передельный или литейный чугун;
– губчатое железо (восстановленное железо из руды);
–металлические отходы и лом;
–шлакообразующие добавки;
–раскислительные элементы (элементы для удаления из стали и других сплавов на основе железа растворённого в них кислорода);
– различные легирующие элементы (элементы для изменения свойств).
Процесс выплавки стали осуществляется на разном металлургическом оборудовании:
–мартеновских печах,
–кислородных конверторах,
–электрических печах.
Последовательно рассмотрим процессы выплавки стали на таком оборудовании.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича (рисунок 4.1). В передней стенке камеры печи (1) имеются загрузочные окна для подачи шихты и флюса (2), а в задней – отверстие для выпуска готовой стали (3). С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи (4), которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа печь имеет два регенератора (5). Через один из регенераторов подают воздух, который нагревается до 1200 ○C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел (6), направленный на шихту (7). Температура факела пламени достигает 1800 oC. Расплавленная сталь (8) через отверстие для выпуска поступает в ковш (9). Процесса получения стали в мартеновской печи длится от пяти до восьми часов. Процессы выплавки стали в мартеновских печах осуществляют в три этапа.
Рисунок 4.1 – Мартеновская печь: 1 – камера печи, 2 – загрузочные окна, 3 – отверстие выпуска стали, 4 – головки печи факел, 5 – регенераторы, 6 – факел,
7 – шихта, 8 – стальной расплав, 9 – ковш
· 1 Этап – расплавление металлошихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе происходит окисление железа и примесей, содержащихся во флюсах. Наиболее важная задача данного этапа это удаление такой примеси, как фосфор путем перевода его в шлак с помощью химических реакций.
· 2 Этап – кипение металлической ванны. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. При кипении уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения и газы, проникающие в пузырьки углекислого газа. Процесс кипения ванны показан нарисунке 4.2. Все это способствует повышению качества металла. Этот этап основной в процессе выплавки стали.
Рисунок 4.2 – Кипение ванны и удаление примесей водорода и азота
· 3 Этап – раскисление стали. Этап заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле. Для этого в процессе выплавки сталей используют кислород. Раскисление необходимо для снижения его количества в жидкой стали.
В мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые). Недостатки плавки стали в мартеновских печах заключаются в периодичности процесса плавки, сложности оборудования, более высокой стоимости выплавляемой стали.
Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы.
Конверторная печь представляет собой большую стальную реторту, футерованную огнеупором (рисунок 4.3).
Воздух (1) вдувают в конвертор через горловину (2), и он попадает на поверхность расплавленного чугуна (3). При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Извлекается сталь при помощи поворотного устройства (4). Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах). Недостатки способа заключаются в повышенном расходе огнеупоров и высоком угаре металлов.
Рисунок 4.3 – Конверторная печь: 1 – вдуваемый кислород, 2 – горловина печи, 3 – расплавленный чугун, 4 – устройство поворота
Электропечи используют для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сплавов и сталей. Различают дуговые и индукционные электропечи. Дуговая печь, показанная на рисунке 4.4, питается трёхфазным переменным током. Имеет камеру (1) и три цилиндрических электрода (2), к которым подводится электрический ток по кабелям. Между электродом и металлической шихтой (3) возникает электрическая дуга (4) – источник высокой температуры для расплава. Расплавленная сталь (5) через отверстие для выпуска (6) поступает в ковш (7).
Рисунок 4.4 – Дуговая печь: 1 – камера печи, 2 – электроды, 3 – шихта, 4 – электрическая дуга, 5 – расплав, 6 – отверстие выпуска стали, 7 – ковш
Индукционныеэлектропечи имеют преимущества по сравнению с другими плавильными агрегатами. Они позволяют: легко регулировать тепловой процесс, изменяя параметры тока; получать высокую температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу и вакуум, что позволяет раскислять металл с образованием минимального количества неметаллических включений.
Среди процессов производства цветных металлов наиболее распространены процессы производства меди, алюминия и магния.
Медь в природе находится в составе руд и самородной металлической меди. К основным способам получения меди относятся: гидрометаллургический и пирометаллургический способы. Кратко проанализируем эти процессы.
Гидрометаллургический способ основан на принципе ее выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора.
Получение меди пирометаллургическим способом состоит из последовательных процессов обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере и рафинирования. Штейн представляет собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине. Черновую медь рафинируют. Сущность рафинирования черновой меди заключается в удалении примесей.
Алюминий занимает первое место среди металлов по распространению в природе. Рудами алюминия являются: бокситы, нефелины, алуниты и каолины. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: добыча глинозема из руды, электролиза глинозема. Электролиз глинозема проводят в специальных электролизных ваннах (электролизерах) (рисунок 4.5). Внутри кожуха (1) имеется ванна глубиной 0,5 – 0,6 м заполненная электролитом (2) и находящимся под ним слоем глинозема (3). Угольный анод (4) подвешен на стальных стержнях так, что его нижний конец погружен в электролит, через стержни к аноду подается ток. Разряжающийся на катоде (5) алюминий накапливается на дне ванны под слоем электролита. Жидкий алюминий (6) извлекают из ванн помощью вакуумных ковшей.
Рисунок 4.5 – Алюминиевый электролизер: 1 – кожух, 2 – электролит, 3 –глинозем, 4 – угольный анод, 5 – катод, 6 – жидкий алюминий
Основным сырьем для получения магния являются: карналлит, магнезит, доломит и бишофит. Для получения магния наибольшее распространение получил электролитический способ, сущность которого заключается в получении чистых безводных солей магния, электролизе этих солей в расплавленном состоянии и рафинировании металлического магния.