Черные металлы

 
СТАЛЬ

Первоначально доменные печи строили в основном для выплавки литейного чугуна. Позднее были найдены способы переработки чугуна в сварочное железо, и металл доменной печи стал исходным материалом для такого железа. После разработки широкомасштабного и недорогостоящего производства стали на основе бессемеровского процесса и процесса Сименса стала экономически целесообразной переработка чугуна, выплавляемого в доменных печах, в сталь. В настоящее время почти весь чугун доменных печей идет на такой передел. Сталь - это особенно ценный конструкционный материал, которому можно придавать практически любую форму прокаткой, штампованием и прессованием, литьем или обработкой резанием. Путем легирования и термообработки можно получать стали с самыми разнообразными физическими и химическими свойствами. Так, например, одни стали настолько мягки, что их можно обрабатывать простым ручным слесарным инструментом, а другие столь тверды, что позволяют резать стекло.

 
ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ

При переделе в сталь чугуна, выплавленного в доменной печи, из него окислением удаляют почти весь углерод и весь кремний. Могут добавляться в качестве легирующих элементов марганец, никель или хром. В настоящее время основным способом переработки чугуна, выплавляемого в доменной печи, стал кислородно-конвертерный процесс, хотя кое-где еще применяется мартеновский процесс. Важной особенностью производства стали является относительная легкость ее повторного использования. И кислородный конвертер, и мартеновская печь могут работать с большим процентом стального металлолома (скрапа), а электропечь - и на одном скрапе. Это приобретает особенно важное значение в наши дни, когда обострилась проблема удаления отходов. Стоимость повторного использования в значительной мере зависит от качества металлолома. Металлолом, содержащий олово или медь, нежелателен в производстве стали, поскольку эти трудноудаляемые металлы ухудшают механические свойства стали. Наибольшую ценность представляет крупный металлолом, происхождение которого известно. Некоторые количества такого скрапа поступают с металлообрабатывающих заводов, а еще больше - после разборки устаревшего заводского и железнодорожного оборудования и разделки на металлолом морских и речных судов. Скрап в виде отработавших свой срок автомобилей и емкостей для продуктов питания менее ценен, так как он наверняка содержит медь и олово. Легирующие элементы обычно добавляют в сталь в виде ферросплавов. Ферросплавы содержат значительные количества железа, которое служит носителем легирующих элементов. К наиболее важным ферросплавам относятся ферромарганец (такой, как шпигель, или зеркальный чугун), необходимый для всех сталей; ферросилиций, применяемый для получения сталей со специальными магнитными свойствами и для раскисления сталей, выплавляемых в электропечах; феррохром и феррованадий. Никель добавляется в виде беспримесного металла.

Конвертерный процесс. В первой половине 20 в. первоначальный бессемеровский процесс постепенно утратил свое прежнее значение. Дело в том, что тепла, выделяющегося в бессемеровском конвертере, недостаточно для расплавления металлолома - более дешевого сырья, нежели горячий металл из доменной печи. Быстрое протекание плавки в бессемеровском конвертере не давало возможности провести анализы стали и скорректировать ее состав в соответствии со спецификациями. Мартеновский же процесс допускает значительный процент металлолома в загрузке печи, и реакции в нем протекают достаточно медленно, чтобы можно было успеть выполнить анализ в процессе плавки и провести коррекцию состава до выпуска металла.

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР с верхней продувкой. 1 - стальной кожух; 2 - огнеупорная футеровка; 3 - кислородная фурма; 4 - завалка флюса; 5 - легирующие добавки; 6 - летка; 7 - ковш; 8 - заготовка; 9 - проволока; 10 - бесшовная труба; 11 - блюм; 12 - балка; 13 - толстолистовая сталь; 14 - листовая заготовка (сляб); 15 - листовой прокат.

Но в 1950-х годах конвертерный процесс производства стали снова вернулся к жизни и в течение следующих 35 лет полностью вытеснил мартеновский процесс, поскольку была разработана технология получения дешевого чистого кислорода, позволившая перейти с воздушного на кислородное дутье в конвертере. По этой технологии кислород в количествах, измеряемых тоннами, производят дробной (фракционной) перегонкой жидкого воздуха; для производства стали требуется кислород с чистотой 99,5%. Воздух - это на 80% азот, а азот - это инертный газ, не участвующий в реакциях конвертерной выплавки стали. Таким образом, в бессемеровском конвертере через расплавленный металл продувается большое количество бесполезного газа. Но этого мало - часть азота растворяется в стали. Последующее выделение растворенного азота в форме нитридов может приводить к ее последеформационному старению - постепенному уменьшению пластичности, которое приводит к трудностям при обработке давлением. Такого рода трудности отпадают, если металл в конвертере продувать не воздухом, а чистым кислородом. Но простой переход с воздуха на кислород в бессемеровском конвертере недопустим, так как из-за сильного разогрева фурм конвертер быстро выйдет из строя. Эта проблема была решена так: кислородное дутье подводится к поверхности расплавленного чугуна по трубе с водяным охлаждением. В 1952 35-тонный конвертер такого типа был успешно запущен в австрийском городе Линце на заводе фирмы VOEST. Такая технология, названная процессом ЛД (аббревиатура от Линца и Р.Дюррера, инженера фирмы), позднее была развита в кислородно-конвертерный процесс. Быстрая реакция окисления в конвертерной шихте, характеризующейся малым отношением площади поверхности к объему, сводит к минимуму потери тепла и позволяет вводить в шихту до 40% металлолома. Кислородный конвертер может каждые 45 мин выдавать 200 т стали, что в 4 раза превышает производительность мартеновской печи. Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой около 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку. Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний - до диоксида SiO2. По "течке" (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

РАЗЛИВКА СТАЛИ (сталеплавильный завод в Бетлехеме, шт. Пенсильвания).

Кроме кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс с верхней продувкой, но менее эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно сочетать с верхней.

Мартеновская печь. Как уже упоминалось, мартеновская выплавка стали еще применяется в ряде стран, хотя и постепенно заменяется кислородно-конвертерным процессом. Мартеновская печь обычно вмещает 500 т стали. Она имеет широкий неглубокий под и низкий арочный свод, отражающий тепло в сторону пода. Газ и воздух вводятся с одного конца и сгорают над подом. Чем ниже содержание углерода, тем выше температура плавления. Для достижения температуры, при которой плавится сталь с минимальным содержанием углерода, применяют принцип регенерации тепла. На обоих концах печи имеются регенерационные камеры с такой же кирпичной насадкой, как и в кауперах доменной печи. Продукты сгорания пропускаются через одну из этих камер. Когда футеровка достаточно нагрета, направление потоков через печь меняется на обратное. Поступающие воздух и газ воспринимают тепло от кирпичей насадки, а отходящие газы нагревают вторую камеру. Таким образом достигается экономия топлива и повышается рабочая температура. Мартеновская печь - крупное сооружение, и процесс выплавки стали занимает довольно много времени. На загрузку печи рудой, металлоломом и чугуном уходит ок. 5 ч, на расплавление - 4 ч и на рафинирование и корректировку окончательного состава стали - еще 3-4 ч. Чугун и металлолом могут загружаться в разных пропорциях в зависимости от потребности и экономических соображений. Термохимический процесс плавки стали в мартеновской печи сложен. Как уже упоминалось, главными примесями чушкового чугуна являются кремний Si, углерод C, сера S и фосфор P. Кремний реагирует с железной рудой [оксидом железа (III) Fe2O3], давая в результате диоксид кремния SiO2 и железо:

Углерод выгорает, образуя моноксид углерода CO и восстанавливая из руды железо:

Фосфор тоже, образуя пентоксид фосфора P2O5, высвобождает железо из руды:

Сера, реагируя с известью CaO и углеродом, образует сульфид кальция CaS и моноксид углерода CO:

Сульфид кальция и пентоксид фосфора переходят в шлак, плавающий на поверхности очищенного железа. Шлак представляет собой в основном силикат кальция CaSiO3, образующийся в реакции соединения диоксида кремния с известью:

В процессе плавки шлаку уделяется не меньше внимания, чем самой стали, так как хорошая сталь получается в результате реакций между шлаком и металлом.

Электрическая печь. Электропечи сначала применялись только для выплавки качественных инструментальных и нержавеющих сталей, выплавлявшихся до этого в тиглях. Но постепенно электропечи стали играть важную роль в производстве малоуглеродистой стали из металлолома в тех случаях, когда не требуется передела чугуна из доменной печи. В настоящее время ок. 30% нерафинированной стали выплавляется в электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи. Под дуговой сталеплавильной печи облицован огнеупорной кирпичной кладкой, свод охлаждается водой и может сдвигаться в сторону для загрузки печи. Через три отверстия в своде вводятся угольные электроды. Между электродами и металлоломом на поду печи зажигается дуговой разряд. В большой печи ток дуги может достигать 100 000 А. Плавка стали обычно производится следующим образом. Свод печи отводят в сторону, и на под печи осторожно загружают металлолом. После этого свод возвращают на место, а электроды опускают так, чтобы они на 2-3 см не доходили до верха загруженного металлолома. Зажигают дугу и по мере расплавления завалки постепенно увеличивают мощность. В печь вводят кислород для окисления углерода и кремния в завалке и известь для образования шлака. На этом этапе химия плавки такая же, как и в кислородно-конвертерном процессе. По окончании периода окисления отбирают пробу, анализируют ее и при необходимости корректируют состав. Затем выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш. Электросталеплавильный процесс находит также важное применение в вакуумной плавке стали. Для этого обычно пользуются индукционными электропечами. Сталь помещают в графитовый тигель, окруженный медным змеевиком индуктора. На индуктор подается переменное напряжение высокой частоты. Вихревые токи, наводимые индуктором в графитовом тигле, нагревают его, поскольку удельное сопротивление графита довольно велико. Если тигель с индуктором помещен в вакуумную камеру, то сталь, плавясь в вакууме, освобождается от кислорода и других растворенных газов. В результате получается очень чистая сталь, не содержащая оксидов. Вакуумная плавка дорогостояща и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особо прочная и надежная сталь, например для шасси самолетов. Улучшение механических свойств стали в результате вакуумной плавки связано с отсутствием частиц оксидов, на которых в обычной стали часто зарождаются трещины.

Литье стали. Заключительным этапом описанного выше процесса производства является литье стали в отдельные слитки или в непрерывный слиток. Для получения отдельных слитков сталь разливают по массивным чугунным изложницам. Как только сталь затвердевает, слитки отделяют от изложниц и еще горячими переносят в нагревательный колодец. Здесь большое количество слитков выдерживается при высокой температуре, пока они не будут готовы к прокатке. Разливка стали по изложницам, "раздевание" слитков (отделение от изложниц), их перемещение в нагревательный колодец и последующее извлечение для прокатки требуют многочисленных транспортировочно-перегрузочных операций, обойтись без которых позволяет метод непрерывной разливки в слиток почти окончательной формы. Сталь заливается в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, в котором затвердевание начинается с наружной поверхности. Сталь, вытягиваемая из кристаллизатора, дополнительно охлаждается до полного затвердевания водой, разбрызгиваемой форсунками.

Обработка давлением. Стальному слитку должна быть придана форма, удобная для применения стали в качестве конструкционного материала. Чаще всего слитки обрабатывают методом горячей прокатки (после соответствующей подготовки). При таком методе плоская заготовка (сляб), пропускаемая между горизонтальными валками, приводимыми во вращение мощными электродвигателями, удлиняется и утоняется. Стан для первой прокатки горячих стальных слитков называется обжимным. Слиток вводится между валками, установленными на небольшое уменьшение толщины. После первого пропуска направление вращения валков изменяется на обратное, расстояние между ними уменьшается и слиток пропускается через них в обратном направлении. Такой процесс многократно повторяется, в результате чего слиток становится тоньше и длиннее. В то же время устраняются литьевые неоднородности металла. Горячая прокатка гомогенизирует сталь и повышает ее ударную вязкость. При непрерывной прокатке между валками с гладкой бочкой слиток превращается в лист. Профилированные валки дают сортовой прокат разных профилей: простых (круг, квадрат, треугольник, полоса), фасонных (рельсы, двутавровые балки, швеллеры, уголковое железо) и специальных (колеса, бандажи и т.д.). Если для окончательной продукции заданы очень малые допуски на размеры, то она на заключительном этапе проходит холодную прокатку. При этом сначала размеры заготовки редуцируются приблизительно до нужных размеров горячей прокаткой, а затем сталь охлаждают до комнатной температуры и осуществляют чистовой пропуск через валки. В результате она выходит из валков с чистой и блестящей поверхностью хорошего качества. Некоторые формы не могут быть получены прокаткой; в этом случае применяются ковка и штампование. Способы изменения формы металлов ковкой были известны еще в древности. Для ее современных методов характерны широкие масштабы - применение молотов и прессов с паровым или гидравлическим приводом, а также штампов и матриц с пуансонами. Металлическая заготовка помещается в полость, образуемую двумя штампами из закаленной стали. При сжатии штампов нагретый металл заготовки течет, заполняет полость и принимает нужную форму.