Экономические основы технологии производства стали в электропечах

     Легирующие элементы - элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения (Mn, Si, Cr, B, Ni, Nb и др.). Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

2. Способы производства или добычи сырьевых материалов

     Чугун получают в результате доменного процесса извлечения железа из руды. Первый этап – восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. 2С+О2→2СО↑ В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Для избавления от нежелательных примесей в добываемой руде добавляют флюс - известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Действие флюса заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида: CaCO3→CaO+CO2↑ Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак — метасиликат кальция: CaO+SiO2→CaSiO3 Шлак плавится в печи и плавает на поверхности. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки. Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах.

     Металлолом  образуется на металлургических заводов в результате обрезки металла при прокатке, изготовления бракованных слитков, на машиностроительных предприятиях - в виде стружки отходов при штамповке, а также амортизационного лома (отслуживших машин, рельсов и др.). Лом подвергается предварительной обработке: прессованию, обжигу и другим операциям

     Исходным материалом для производства комовой негашеной извести являются преимущественно плотные известняки, мел, доломитизированные известняки, доломиты и т. д. Технологический процесс получения негашеной комовой извести состоит из добычи известняка, его подготовки (дробления и сортировки) и обжига. После обжига комовую известью размалывают, получая молотую негашеную известь. Известняки добывают обычно открытым способом в карьерах.

     Основным процессом при производстве извести является обжиг, при котором известняк декарбонизируется и превращается в известь (СаО) по реакции: СаСОз + 42,52 ккал +СаО + СО2. Из уравнения следует, что для разложения одной грамммолекулы СаСО3 на СаО и СОг необходимо затратить 42,52 ккал тепла, а для разложения 1 кг СаСОз — 425,2 ккал. В заводских условиях температура обжига известняка обычно составляет 1000—1200 Со и устанавливается в зависимости от плотности известняка, наличия примесей, типа печи и ряда других факторов. При обжиге из известняка удаляется углекислый газ, составляющий до 44% его веса, объем же продукта уменьшается всего до 10%, поэтому куски комовой извести имеют пористую структуру.

     Обжигают известняк в различных печах: шахтных, вращающихся и «кипящего» слоя; используют также установки для обжига известняка во взвешенном состоянии и т. д. Наибольшее распространение получили шахтные известеобжигательные печи.

3. Нормативные требования, применяемые к сырьевым материалам

     Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам очень высокие требования. Эти материалы должны:

• иметь высокое содержание железа;
• низкую концентрацию вредных примесей;
• оптимальный размер кусков (20 – 40 мм);
• высокую прочность, чтобы при транспортировке и в ходе плавки куски не разрушались с образованием мелких фракций;
• иметь постоянный химический состав больших масс материалов.

     В настоящее время целесообразно перерабатывать руды, если содержание металла в них составляет:

железа – 20 – 60%;

меди – 1 – 3%;

никеля – 0,3 – 1,0%;

молибдена – 0,005 – 0,02%.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологии производства стали
1. Основные способы производства стали

     К середине XIX в. в черной металлургии для получения железа окончательно утвердился так называемый двойной передел: из руды — чугун, из чугуна — сталь. Огромные доменные печи, конверторы, мартеновские печи удовлетворяли потребности промышленности. Однако именно в это время ученые-металлурги Европы и Америки начали искать способы прямого восстановления железа из руды, минуя доменный процесс. Двойной передел— это двойной расход топлива и электроэнергии, двойное количество агрегатов, механизмов и инструментов, наконец, двойное количество рабочих. Поэтому ученые и обратились к способу древних мастеров, которые прямо из руды получали железо, восстанавливая его древесным углем в маленьких печурках - горнах или в тиглях. Большое преимущество прямого восстановления железа помимо его высокой экономичности — в том, что этот процесс позволяет избежать «засорения» железа серой и другими нежелательными элементами, содержащимися в коксе. Вся трудность состояла в том, чтобы возродить древний способ на новой, промышленной, высокопроизводительной основе.

     Первая промышленная установка прямого восстановления железа заработала в 1911 г. в Швеции. Авторы ее полностью скопировали древний способ: восстанавливали железо из руды с помощью мелкоистолченного древесного угля в глиняных тиглях. Только в печь загружали сразу 3500 тиглей. Затем появились другие установки в разных странах, причем все чаще восстановителем служил не уголь, а водород, обеспечивающий большую химическую чистоту металла. В 1975 г. способом прямого восстановления уже получали во всем мире 29 млн. т стали.

     С момента изобретения стали, менялись и совершенствовались способы ее производства. В настоящее время существует несколько приоритетных способов производства стали. К ним относятся кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный способы производства стали. В основе всех этих способов лежит окислительный процесс, направленный на снижение в чугуне некоторых веществ.

     Кислородно-конвертерный способ. Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. Для осуществления этого метода необходим конвертер. Подача кислорода осуществляется через водоохлаждаемую фурму под давлением. В данном случае, процесс окисления является наиболее значимым. Окисление чугуна происходит под воздействием дутья. В результате окисления выделяется тепло, что способствует снижению примесей и повышению температуры металла. далее происходит так называемое раскисление металла.

     Мартеновский способ. В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 °C), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. 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 часов. 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.

     Электросталеплавильный способ. В результате электросталеплавильного способа, получают сталь высокого качества. Процесс этот происходит в специальных электрических печах. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали – использование электроэнергии для нагрева металла.

     Преимуществами этого способа являются: быстрый нагрев печи до заданной температуры (~2000°С); легкость регулирования температуры; возможность создания окислительной, восстановительной атмосферы или вакуума, лучшее раскисление по сравнению с другими способами плавки, более полное удаление серы и фосфора, простота легирования.

Таблица 2.1

Содержание примесей в стали обычных способов производства, анм.

Способ производства	Сера	Фосфор	Кислород	Азот	Водород	Сумма всех загрязнений
Кислородно – конвертерный	500	500	350	100	150	2000
Мартеновский	500	500	350	200	200	2100
Электросталеплавильный	250	300	150	300	250	1500

Выражение химического состава в стали в анм позволяет суммировать содержание примесей. Такая цифра показывает общую степень загрязненности стали, то есть какое количество атомов всех примесей приходится на один миллион атомов основного металла (железа).

2.2 Подробное изложение одного из эффективных способов                         производства стали

     Электросталеплавильное производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами. В отличие от конвертерного и мартеновского процессов выделение тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых и в индукционных печах.

 Наибольшее распространение получили дуговые печи. Питание дуговых печей осуществляется переменным трехфазным током. Между тремя вертикально расположенными электродами и металлом возникает дуга. Печи снабжены съемным сводом и рабочим окном. Готовая сталь выпускается через отверстие, снабженное сливным желобом. Для выплавки стали, как правило, используют основные печи. Подавляющее количество выплавляемой стали получают из «свежей» шихты методом полного окисления. Второй вариант плавки - без окисления - в сущности представляет собой переплав отходов.

Рис. 2.1 Дуговая печь

1. - корпус печи; 2 – свод печи; 3 – держатели; 4 – электроды; 5- окно;

6 – заслонка; 7 – металл; 8 – механизм наклона печи; 9 – шлак; 10 – желоб

     Плавка на углеродистой шихте. Данная технология используется при выплавке качественных легированных сталей и представляет собой плавку на свежей углеродистой шихте с окислением. Она подразделяется на периоды.

     Заправка печи. Заправка производится сразу после выпуска 
металла и является подготовкой печи к очередной плавке. Она заключается в устранении дефектов и частичном обновлении изношенных и поврежденных участков футеровки пода. Продолжительность заправки составляет 10—15 мин.

     Загрузка шихты. Основной компонент шихты (при использовании печей малой и средней емкости) — стальной лом (90—95%).В шихту также добавляют чугун (< 10%) для повышения содержания углерода. В то же время концентрация углерода в шихте должна превышать нижний предел его содержания в готовой стали. В завалку целесообразно добавлять 2—3% извести для удаления части фосфора уже в процессе плавления шихты.

     Плавление. По завершении загрузки опускают электроды почти до касания с шихтой и включают ток. Воздействие высокой температуры дуг (до 3500°С) приводит к плавлению шихты. В процессе плавления составляющие шихты окисляются за счет кислорода воздуха, окалины и ржавчины, внесенных той же металлической шихтой. При этом формируется шлак, в который частично переходит фосфор и сера. Для ускорения процесса плавления часто применяют продувку металла с остатками шихты кислородом. Период плавления составляет 1-3 ч.

     Окислительный период. Цель данного периода плавки – уменьшение в металле содержания фосфора (до 0,01-0,015%), водорода, азота и углерода, а также нагрев расплава до температуры выпуска, превышающей ликвидус на 120 - 130°С. Окисление примесей ведут используя либо железную руду (окалину, агломерат), либо газообразный кислород. Присадка руды вызывает интенсивное кипение ванны - окисляется углерод, реагируя с оксидами железа руды с выделением большого количества пузырьков СО. Вместе с ними из металла удаляются водород и азот. Это очень важно, поскольку в зоне воздействия электрических дуг (при температуре свыше 3000°С) идет диссоциация молекул азота и водорода, способствующая интенсивному насыщению стали этими газами. Именно поэтому в электростали обычно содержание азота больше, чем в мартеновской или кислородно - конвертерной стали.