Производство стали: методы, технологические процессы, оборудование

Сталь — сплав железа и других элементов, в первую очередь углерода 0,2-2%. Этот сплав широко используется из-за высокой прочности на разрыв и низкой стоимости.

Примерно треть стали в мире изготавливают из лома, который собирают и перерабатывают. Остальную часть традиционно делают из железной руды.

  • Качество лома обусловлено химический составом, зависящим от хранения и происхождения. Поэтому необходимо выполнить множество предварительных процедур, связанных с сортировкой и очисткой от загрязнений.
  • Качество железной руды определяется включением железа и химическим составом в целом.

На сегодня существует два основных подхода к производству стали:

  1. Переработка с помощью доменных печей и конвертера. Две трети мирового производства стали происходит путем продувки кислородом в специальном преобразователе для превращения высокоуглеродистого чугуна, произведенного в доменной печи, в низкоуглеродистую сталь. При необходимости в емкость кислородной печи с неочищенным расплавленным чугуном загружается стальной или чугунный лом (25-30%).
  2. Производство с помощью электрических печей. Изготовление стали в электропечах в основном связано с переплавкой стального лома с небольшим рафинированием. В современных электродуговых печах используются газовые и кислородные горелки, а также электроэнергия для ускорения производства.

Производство стали

Основная суть процесса производства сталей

В современном мире производители и конечные потребители нуждаются в стали все более высокого качества. Однако общее качество сырья снижается, потому что его запасы ограничены, а лучшие материалы в основном использовались в прошлом.

Это означает, что сталелитейной промышленности постоянно необходимо справляться с большим количеством примесей. Одно за другим производства переходят к автоматизации, преимущества которой неоспоримы. Операции могут выполняться в известные временные рамки с меньшим количеством ошибок и меньшими трудозатратами, а оборудование подвергается меньшему износу.

Суть всех существующих подходов в производстве стали состоит в том, чтобы качественно удалить многочисленные лишние примеси, путем превращения их в шлаки и газы. Поэтому производство стали — прекрасный пример демонстрации множества химических реакций.

Скорость образования новых соединений подчиняется правилу: химические реакции, при которых выделяется теплота, проходят усиленно при пониженных температурах, а при повышенных происходят реакции с поглощением тепла. Сначала, когда металл еще недостаточно нагрелся в ванне, происходит окисление кремния, марганца и фосфора. В отличие от них углерод начинает окисляться при более высокой температуре.

Очистка от примесей на этапе расплавления породы

Процесс очистки кислородом иногда называют основным кислородным процессом. Примеси, которые удаляют при меньших температурах, включают серу, фосфор и кремний (Si, P, Mn).

Фосфор, как и кремний, а также подобные им элементы образуют оксиды. Для значительного ускорения окисления примесей добавляют окалину или железную руду, которые имеют в составе оксиды железа. Также добавляют известь, которая плавится при 2570 градусах по Цельсию и остается твердой при температурах, нужных для изготовления стали, но когда она смешивается с другими оксидами, все они плавятся вместе.

Образовавшиеся вещества, такие как силикат кальция или фосфат кальция образуют легко удаляемый шлак.

Обезуглероживание стального сплава

Удаление углерода начинается в тот момент, когда металл нагрет до температуры от 700 градусов по Цельсию. В расплавленном металле углерод вступает в реакцию с другими газами: кислородом и водородом. Образовавшийся в процессе газообразный продукт, монооксид углерода, легко удаляется, как газ. Если углерод окисляется ниже заданного уровня, добавляют углеродный порошок, чтобы вновь поднять его содержание.

В тот момент, когда уровень углерода в жидкой стали снижается, уровень растворенного кислорода увеличивается. Поэтому уровень растворенного кислорода в жидкой стали также необходимо снижать.

Обессеривание сплава

Для удаления серы через расплавленное железо нередко продувается порошок магния, сера реагирует с ним, образуя сульфид магния. При этом на поверхности железа образуется шлак, от которого избавляются. Поскольку обессеривание в процессе выплавки стали обычно несовместимо с другими процессами очистки, оно часто осуществляется извне по отношению к остальной части процесса.

Раскисление сплава

В конце выплавки жидкую сталь обязательно раскисляют путем добавления алюминия, кремния и других раскислителей. Они вступают в реакцию с нежелательным кислородом, образуя прочные оксиды: оксид алюминия или кремнезем, которые всплывают на поверхность стали. Движение этих включений вверх нередко происходит медленно, поэтому принято применять комбинации различных раскислителей для образования более крупных включений, которые легче и быстрее всплывают.

Когда сталь уже имеет желаемый химический состав, ее отливают. Если произведенная сталь все еще не соответствует металлургическим спецификациям заказчика, перед затвердеванием может потребоваться окончательная вторичная очистка. Поэтому для хранения расплавленного чугуна и стали нередко используются специальные емкости различных типов.

Вид производимой стали определяется контролем количества газа, выделяющегося при затвердевании. Существуют:

  • Спокойная сталь, которая была полностью раскислена перед разливкой. Выделение газа во время затвердевания практически не происходит. Такая сталь характеризуется высокой степенью химической однородности и отсутствием газовой пористости.
  • Полуспокойная сталь, в которой окись углерода оставляет пористость, распределенную по всему слитку. Такая основа обычно используется для производства конструкционной стали с содержанием углерода от 0,15 до 0,25%, поскольку когда ее прокатывают, пористость устраняется.
  • Кипящая сталь, хрупкая, которая подвергается коррозии и не сваривается.

Легированные стали, а также нержавеющие и жаропрочные стали обычно производятся как раскисленные.

Оборудование для изготовления и обработки сталей

В наше время сталь нередко обрабатывается и изготавливается в комплексе, объединяя первичную металлургию, вторичную металлургию и производство полуфабрикатов на одном предприятии с целью экономии транспорта, энергии и, следовательно, затрат. Независимо от способа переработки технологический процесс состоит из следующих основных операций:

  • подготовка шихты,
  • загрузка шихты в плавильный агрегат,
  • плавка и раскисление стали,
  • разливка стали и выгрузка слитков.

Оборудование включает в себя разные печи, преобразователи, ковши, емкости, поворотные станины, складские площадки, оборудование для непрерывной разливки стали и др. Техническое оснащение размещается в различных производственных зонах: на участке кислородных конвертеров, в зоне печей, в зоне вторичной металлургии и т.д.

Производство стали имеет долгую историю, но современное оборудование и технологии уже кардинально отличаются от тех, которые использовали несколько десятков лет назад.

Металлобаза в Днепре ЧП ТД ТАМ — зарекомендовавший себя поставщик листового металлопроката в Днепре. Нашими приоритетами являются высокий контроль качества и организация непрерывного обучения персонала. Основные направления нашей деятельности — оптовая и розничная продажа листовой стали в Днепре, все виды обработки металла, изготовление стальных профилей и конструкций.