Как производят высококачественную сталь

Статьи

В начале ХХ в. химический состав и прочность стали практически исчерпывали требования к ее качеству. Сегодня изменились не только эти нормы, в стандартах на сталь отражены многообразные требования технологии производства и эксплуатации машин и сооружений: штампуемость, обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость, хладостойкость, коррозионная стойкость, стойкость к старению и многие другие.

Качество стали — характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов и т.д. Металл может оказаться непригодным даже когда не выполнено хотя бы одно из условий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависит не от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому не только уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих и технологических норм для продукции — предмет обстоятельного анализа перед разработкой любых металлических изделий.

В этой связи современная технология производства высококачественной стали должна обеспечивать строгое соответствие технологических параметров заданным значениям. Для достижения этого в технологических указаниях должны быть оговорены каждый из этапов сталеплавильного передела: от подбора шихты, до сдачи слитка. Ниже кратко рассмотрена общепринятая сегодня концепция технологии производства стали для ответственных изделий машиностроения. Технология должна быть основана на постоянном экспрессном контроле технологических параметров и направлена на получение заданного стандартного состояния металла перед разливкой, определяемого требованиями к свойствам готовой металлопродукции. Технологическая цепочка при этом должна обязательно включать следующие этапы:

• подготовка шихтовых материалов с целью обеспечения заданного содержания цветных и других неудаляемых примесей в конечном металле и снижения расхода электроэнергии (за счет подбора размеров компонентов шихты).

• получение полупродукта с заданным содержанием примесных и легирующих элементов, заданным содержанием углерода, активностью кислорода и, конечно, с заданной температурой;

• отсечку печного шлака при выпуске или на специальном стенде с целью предотвращения ресульфурации, рефосфорации и вторичного окисления;
• наведение нового высокоосновного шлака;
• максимально раннее после выпуска глубокое (а_О

• вакуумирование, причем если требуется глубокая десульфурация ([S]

• проведение комплексного технико-экономического анализа проекта;
• выполнение проектно-конструкторских работ;
• обоснование и разработка оптимальных технологических решений и маршрутов;
• поставка необходимого набора оборудования;

Подготовка шихты

Основным сырьем для выплавки стали в электродуговых печах, в отличие от конвертеров, является твердая металлошихта, состоящая преимущественно из металлоотходов собственных металлургических производств и поступающего со стороны товарного лома. К регламентируемым показателям качества металлошихты во всем мире относят, прежде всего, такие факторы, как определенность химического состава, насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих шихты.

Определенные требования предъявляют и к фракционному составу металлошихты. Наличие такого рода требований обусловлено тем, что шихта высокой насыпной плотности, имеющая стабильный оптимальный размер кусков, позволяет ограничиться лишь одной подвалкой, исключив тем самым необходимость второй подвалки с соответствующим отключением печи, отводом свода с электродами и т.д. Это, в свою очередь, позволяет существенно форсировать плавку.

Кроме того, от фракционного состава используемой металлошихты зависят технико-экономические показатели работы плавильного агрегата, в том числе угар металла, определяющий выход жидкого (годного) металла.

Важным фактором, влияющим на угар металлошихты в сталеплавильном процессе, является величина ее активной поверхности, которая определяет степень взаимодействия шихты с кислородом. Активная поверхность зависит в основном от ее толщины (диаметра), которая может быть оценена насыпной массой. В технико-экономических показателях сталеплавильных процессов величина угара лома является важной статьей, определяющей производительность агрегата и себестоимость стали. При использовании на плавку различных видов шихты (прежде всего различных видов лома) угар металла значительно изменяется.

Мировой опыт работы современных ДСП показывает, что выход жидкого металла составляет от 91 до 92 % от общей массы металлозавалки. При этом угар составляет от 4 до 6 %, в том числе в пыль отходящих газов уходит от 1,5 до 3,0 % и в виде оксидов со шлаком от 2,5 до 3,0 %. Со скрапом в шлаковые отвалы уходит от 2 до 3 %.

Выплавка стали

Анализ мирового опыта производства показывает, что устойчивой тенденцией развития сталеплавильного производства всех машиностроительных заводов, в том числе производящим ротора ЦНД, является строительство новых и реконструкция существующих электросталеплавильных комплексов в виде высокопроизводительных компактных производств, в которых сталь выплавляют в сверхмощных электродуговых печах, работающих по одношлаковой технологии, в комплексе с агрегатами «ковш-печь».

Садка таких печей составляет от 100 до 120 т. Техническая характеристика основных наиболее распространенных в мире типов мощных ДСП приведена таблице ниже

Таблица 1 — Основные параметры ДСП средней и большой емкости

Номинальная масса плавки, т

Мощность печного трансформатора, МВА

Расчетное время цикла выпуск/выпуск, мин

Диаметр графитированного электрода, мм

донный (эркерный) выпуск с отсечкой шлака

Напряжение высокой стороны трансформатора, кВ

На всех машиностроительных предприятиях в конструкциях электропечей средней и большой емкости стремятся реализовать современные технические решения, обеспечивающие эксплуатационные преимущества, направленные на сокращение периода плавки, удельного расхода электроэнергии, уменьшение длительности ремонтов, повышение надежности работы исполнительных механизмов, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности, удобства эксплуатации и пр. В связи с этим современные электропечи, используемые в том числе на мировых машиностроительных заводах, имеют современные конструкции ванны с разъемным кожухом, донным (эркерным) выпуском металла с гарантированной отсечкой шлака, новые опорно-поворотные системы подъема-поворота свода, улучшенные конструкции водоохлаждаемых элементов, систем теплоконтроля, современные системы регулирования мощности, гидроприводов, водо- и газоснабжения, современные системы вторичного токоподвода в которых используются токоведущие рукава электрододержателей, а расчетная несимметрия фаз токоподвода составляет не превышает 2 %, печные трансформаторы с высокой удельной мощностью и повышенным для такого типоразмера печей вторичным напряжением, комплекты оборудования средств интенсификации плавки с использованием дополнительных источников тепла и системами вспенивания шлака, а также многое другое.

Электропечи оснащают современными системами автоматизированного управления технологическим процессом АСУ ТП, решающими следующие задачи:

• контроль параметров и управление электрическим режимом плавки с учётом технологических факторов и реактора электропечи;
• контроль параметров и управление весодозирующим комплексом;
• контроль параметров и управление системами подачи альтернативных источников тепла и вспенивания шлака;
• контроль состояния и управление механизмами печи, трансформатора и переключателя ступеней напряжения;
• расчёт количества и управление подачей в печь кислорода для продувки металла и твёрдых окислителей;
• контроль параметров водоохлаждаемых элементов печи;
• контроль параметров и управление системой удаления и очистки газов;
• вывод данных на монитор оператора, визуализация процесса плавки, передача и получение данных по системе ввода/вывода и пр.

Также анализ мировых технологий производства стали на машиностроительных предприятиях показал, что общепринятым является внедрение в электросталеплавильном производстве технологий, позволяющих значительно снизить затраты за счет экономии энергии при нагреве лома теплом отходящих газов. Прежде всего это установки с горизонтальной (фирма «Consteel») или вертикальной (фирма «Fuchs») схемой подачи шихты навстречу потоку отходящих газов.

Система «Consteel» в настоящее время эксплуатируется или находится в состоянии пуска в 16 сталеплавильных цехах: «Ameristeel» (Чарлотт, США), «Nucor» (Дарлингтон, США), «Kyoei» (Нагоя, Япония), «CoSteel» (Сейеревилл, США), NSM (Бовин, Таиланд). «ORI Martin» (Брешиа, Италия), «Xining» (Китай), «Guiang» (Китай), «Ameristeel» (Ноксвилл, США), «Nucor» (Хертфорд, США), «Shaoguan» (Китай), «Wuhi» (Китай), «Shiheng» (Китай), «Echeng» (Китай), «Tonghua» (Китай) и «Wheeling Pittsburg» (США). На стадии проектирования и строительства находятся еще три новых цеха: «Hengly» (Китай), «Jiaxing» (Китай) и «Sonasid» (Марокко).

Опыт эксплуатации систем подогрева показал, что если среднюю температуру подогрева поддерживать в пределах от 400 до 600°С, то экономия энергии составит от 80 до 120 кВтч на 1 т выпущенной жидкой стали. Время работы под током составляет 90-95 % от всего времени от выпуска до выпуска. Снижается содержание в стали азота и водорода, уменьшается количество выбрасываемой пыли, примерно на 30. 40 % по сравнению с печами порционной загрузки и выбросы СО₂ — на 10. 30 %. Система подогрева шихты обеспечивает работу печи с более низким уровнем шума (в среднем ниже 90 дБ). На 60. 70 % уменьшается воздействие на питающую электрическую сеть (фликкер-эффект). Предварительный подогрев металлошихты и непрерывная загрузка обеспечивают такие важные преимущества процесса как низкая стоимость производства, высокая производительность, гибкость технологии, снижение нагрузки на окружающую среду и повышение безопасности условий работы.

Мировой уровень расхода материалов и энергии при производстве в ДСП 1 т жидкой стали следующий: 340 кВт-ч электроэнергии, 1,2 кг электродов, 35 м 3 кислорода, 5 м 3 природного газа, 10 кг угольной шихты, 7 кг угольного порошка для вспенивания шлака и 40 кг извести.

Примеру иностранных производителей последовали и на отечественном предприятии ООО «ОМЗ-Спецсталь», запустившем в 2009 г 120-т дуговую плавильную печь. Характерно, что зарубежные производители используют эти печи только для своих нужд, не продавая слитки на сторону своим конкурентам, как это делают ООО «ОМЗ-Спецсталь» и «Pilsen Steel».

Внепечная обработка

Сталь для ответственных изделий производят с обязательной внепечной обработкой, включающей вакуумирование.

При этом решающими факторами, обеспечивающими эффективность и производительность процессов внепечной обработки, являются высокая эксплуатационная готовность, короткий цикл загрузки, низкие показатели расхода, а также снижение расходов на зарплату. Важным фактором качественного выполнения технологии внепечной обработки является:

• тонко настроенная автоматическая система управления технологическим процессом, обеспечивающая эффективное использование персонала и сокращение производственного цикла;
• точное определение расчетных параметров для используемых материалов может гарантировать проверяемое соответствие расходным показателям;
• правильный выбор конструкции агрегата ведет к сокращению до минимума стоимости площадей, необходимых для размещения вакуумного насоса, системы подачи легирующих и вакуум-камер

Разливка

На машиностроительных заводах сталь преимущественно разливают в слитки. При этом как правило используют сифонную разливку. Высококачественные маркис тали могут также разливать в вакууме.

Осоебнности сифонной разливки порднобно рассмотрены в отдельной статье здесь.

Замечания, предложения, комментарии и вопросы к данной статье Вы можете отправить здесь. Мы Вам обязательно ответим.

Источник

Производство стали

Сталь является одним из самых распространенных материалов на сегодняшний день. Она представляет собой сочетание железа и углерода в определенном процентном соотношении. Существует огромное количество разновидностей этого материала, так как даже незначительное изменение химического состава приводит к изменению физико-механических качеств. Сырье для производства стали сегодня представлено отработанными стальными изделиями. Также было налажено производство конструкционной стали из чугуна. Страны-лидеры в металлургической промышленности проводят выпуск заготовок согласно стандартам, установленным в ГОСТ. Рассмотрим особенности производства стали, а также применяемые методы и то, как проводится маркировка полученных изделий.

Особенности процесса производства стали

В производстве чугуна и стали применяются разные технологии, несмотря на достаточно близкий химический состав и некоторые физико-механические свойства. Отличия заключаются в том, что сталь содержит меньшее количество вредных примесей и углерода, за счет чего достигаются высокие эксплуатационные качества. В процессе плавки все примеси и лишний углерод, который становится причиной повышения хрупкости материала, уходят в шлаки. Технология производства стали предусматривает принудительное окисление основных элементов за счет взаимодействия железа с кислородом.

Выплавка стали в электропечи

Рассматривая процесс производства углеродистой и других видов стали, следует выделить несколько основных этапов процесса:

1. Расплавление породы. Сырье, которое используется для производства металла, называют шихтой. На данном этапе при окислении железа происходит раскисление и примесей. Уделяется много внимания тому, чтобы происходило уменьшение концентрации вредных примесей, к которым можно отнести фосфор. Для обеспечения наиболее подходящих условий для окисления вредных примесей изначально выдерживается относительно невысокая температура. Формирование железного шлака происходит за счет добавления железной руды. После выделения вредных примесей на поверхности сплава они удаляются, проводится добавление новой порции оксида кальция.
2. Кипение полученной массы. Ванны расплавленного металла после предварительного этапа очистки состава нагреваются до высокой температуры, сплав начинает кипеть. За счет кипения углерод, находящийся в составе, начинает активно окисляться. Как ранее было отмечено, чугун отличается от стали слишком высокой концентрацией углерода, за счет чего материал становится хрупким и приобретает другие свойства. Решить подобную проблему можно путем вдувания чистого кислорода, за счет чего процесс окисления будет проходить с большой скоростью. При кипении образуются пузырьки оксида углерода, к которым также прилипают другие примеси, за счет чего происходит очистка состава. На данной стадии производства с состава удаляется сера, относящаяся к вредным примесям.
3. Раскисление состава. С одной стороны, добавление в состав кислорода обеспечивает удаление вредных примесей, с другой, приводит к ухудшению основных эксплуатационных качеств. Именно поэтому зачастую для очистки состава от вредных примесей проводится диффузионное раскисление, которое основано на введении специального расплавленного металла. В этом материале содержатся вещества, которые оказывают примерно такое же воздействие на расплавленный сплав, как и кислород.

Кроме этого, в зависимости от особенностей применяемой технологии могут быть получены материалы двух типов:

1. Спокойные, которые прошли процесс раскисления до конца.
2. Полуспокойные, которые имеют состояние, находящееся между спокойными и кипящими сталями.

При производстве материала в состав могут добавляться чистые металлы и ферросплавы. За счет этого получаются легированные составы, которые обладают своими определенными свойствами.

Способы производства стали

Существует несколько методов производства стали, каждый обладает своими определенными достоинствами и недостатками. От выбранного способа зависит то, с какими свойствами можно получить материал. Основные способы производства стали:

1. Мартеновский метод. Данная технология предусматривает применение специальных печей, которые способны нагревать сырье до температуры около 2000 градусов Цельсия. Рассматривая способы производства легированных сталей, отметим, что этот метод также позволяет проводить добавление различных примесей, за счет чего получаются необычные по составу стали. Мартеновский метод основан на применении специальных печей.
2. Электросталеплавильный метод. Для того чтобы получить материал высокого качества проводится производство стали в электропечах. За счет применения электрической энергии для нагрева сырья можно точно контролировать прохождение процесса окисления и выделения шлаков. В данном случае важно обеспечить появление шлаков. Они являются передатчиком кислорода и тепла. Данная технология позволяет снизить концентрацию вредных веществ, к примеру, фосфора и серы. Электрическая плавка может проходить в самой различной среде: избыточного давления, вакуума, при определенной атмосфере. Проводимые исследования указывают на то, что электросталь обладает самым высоким качеством. Применяется технология для производства качественных высоколегированных, коррозионностойких, жаропрочных и других видов стали. Для преобразования электрической энергии в тепловую применяется дуговая печь цилиндрической формы с днищем сферического типа. Для обеспечения наиболее благоприятных условий плавки внутреннее пространство отделывается при использовании жаропрочного металла. Работа устройства возможна только при подключении к трехфазной сети. Стоит учитывать, что сеть электрического снабжения должна выдерживать существенную нагрузку. Источником тепловой энергии становится электрическая дуга, возникающая между электродом и расплавленным металлом. Температура может быть более 2000 градусов Цельсия.
3. Кислородно-конвертерный. Непрерывная разливка стали в данном случае сопровождается с активным вдуванием кислорода, за счет чего существенно ускоряется процесс окисления. Применяется этот метод изготовления и для получения чугуна. Считается, что данная технология обладает наибольшей универсальностью, позволяет получать металлы с различными свойствами.

Способы производства оцинкованной стали не сильно отличаются от рассматриваемых. Это связано с тем, что изменение качеств поверхностного слоя проходит путем химико-термической обработки.

Существуют и другие технологии производства стали, которые обладают высокой эффективностью. Например, методы, основанные на применении вакуумных индукционных печей, а также плазменно-дуговой сварки.

Мартеновский способ

Суть данной технологии заключается в переработке чугуна и другого металлолома при применении отражательной печи. Производство различной стали в мартеновских печах можно охарактеризовать тем, что на шихту оказывается большая температура. Для подачи высокой температуры проводится сжигание различного топлива.

Схема мартеновской печи

Рассматривая мартеновский способ производства стали, отметим нижеприведенные моменты:

1. Мартеновские печи оборудованы системой, которая обеспечивает подачу тепла и отвода продуктов горения.
2. Топливо подается в камеру сгорания поочередно, то с правой, то с левой стороны. За счет этого обеспечивается образование факела, который и приводит к повышению температуры рабочей среды и ее выдерживание на протяжении длительного периода.
3. На момент загрузки шихты в камеру сгорания попадает достаточно большое количество кислорода, который и необходим для окисления железа.

При получении стали мартеновским способом время выдержки шихты составляет 8-16 часов. На протяжении всего периода печь работает непрерывно. С каждым годом конструкция печи совершенствуется, что позволяет упростить процесс производства стали и получить металлы различного качества.

В кислородных конвертерах

Сегодня проводится производство различной стали в кислородных конвертерах. Данная технология предусматривает продувку жидкого чугуна в конвертере. Для этого проводится подача чистого кислорода. К особенностям этой технологии можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Конвертор – специальное оборудование, которое представлено стальным сосудом грушевидной формы. Вместительность подобного устройства составляет 100-350 тонн. С внутренней стороны конструкция выкладывается огнеупорным кирпичом.
2. Конструкция верхней части предполагает горловину, которая необходима для загрузки шихты и жидкого чугуна. Кроме этого, через горловину происходит удаление газов, образующихся в процессе плавления сырья.
3. Заливка чугуна и добавление другой шихты проводится при температуре около 1400 градусов Цельсия. Для того чтобы обеспечить активное окисление железа чистый кислород подается под давлением около 1,4 МПа.
4. При подаче большого количества кислорода чугун и другая шихта окисляется, что становится причиной выделения большого количества тепла. За счет сильного нагрева происходит расплавка всего шихтового материала.
5. В тот момент, когда из состава удаляется излишек углерода, продувка прекращается, фурма извлекается из конвертора. Как правило, продувка продолжается в течение 20 минут.
6. На данном этапе полученный состав содержит большое количество кислорода. Именно поэтому для повышения эксплуатационных качеств в состав добавляют различные раскислители и легирующие элементы. Образующийся шлак удаляется в специальный шлаковый ковш.
7. Время конверторного плавления может меняться, как правило, оно составляет 35-60 минут. Время выдержки зависит от типа применяемой шихты и объема получаемой стали.

Стоит учитывать, что производительно подобного оборудования составляет порядка 1,5 миллионов тонн при вместительности 250 тонн. Применяется данная технология для получения углеродистых, низкоуглеродистых, а также легированных сталей. Кислородно-конвертерный способ производства стали был разработан довольно давно, но сегодня все равно пользуется большой популярностью. Это связано с тем, что при применении этой технологии можно получить качественные металлы, а производительность технологии весьма высока.

В заключение отметим, что в домашних условиях провести производство стали практически невозможно. Это связано с необходимостью нагрева шихты до достаточно высокой температуры. При этом процесс окисления железа весьма сложен, как и удаления вредных примесей

Источник