Виробництво сталі: методи, технологічні процеси, обладнання

Сталь — сплав заліза і інших елементів, в першу чергу вуглецю 0,2-2%. Цей сплав широко використовується через високу міцність на розрив і низьку вартість.

Приблизно третину сталі в світі виготовляють з брухту, який збирають і переробляють. Іншу частину традиційно роблять з залізної руди.

  • Якість брухту обумовлена хімічним складом, залежить від зберігання та походження. Тому необхідно виконати безліч попередніх процедур, пов’язаних з сортуванням і очищенням від забруднень.
  • Якість залізної руди визначається включенням заліза і хімічним складом в цілому.

На сьогодні існує два основних підходи до виробництва сталі:

  1. Переробка за допомогою доменних печей і конвертера.
    Дві третини світового виробництва сталі відбувається шляхом продувки киснем в спеціальному перетворювачі для перетворення високовуглецевого чавуну, виробленого в доменній печі, в низьковуглецеву сталь. При необхідності в ємність кисневої печі з неочищеним розплавленим чавуном завантажується сталевий або чавунний лом (25-30%).
  2. Виробництво за допомогою електричних печей.
    Виготовлення сталі в електропечах в основному пов’язано з переплавкою сталевого брухту з невеликим рафінуванням. В сучасних електродугових печах використовуються газові та кисневі пальники, а також електроенергія для прискорення виробництва.

Производство стали

Основна суть процесу виробництва сталей

У сучасному світі виробники і кінцеві споживачі мають потребу в сталі все більш високої якості. Однак загальна якість сировини знижується, тому що її запаси обмежені, а кращі матеріали в основному використовувалися в минулому.

Це означає, що сталеливарній промисловості постійно необхідно справлятися з великою кількістю домішок. Одне за іншим виробництва переходять до автоматизації, переваги якої незаперечні. Операції можуть виконуватися в запланованих часових рамках з меншою кількістю помилок і меншими затратами, а обладнання піддається меншому зносу.

Суть всіх існуючих підходів у виробництві сталі полягає в тому, щоб якісно видалити численні зайві домішки, шляхом перетворення їх в шлаки і гази. Тому виробництво сталі — прекрасний приклад демонстрації безлічі хімічних реакцій.

Швидкість утворення нових сполук підкоряється правилу: хімічні реакції, при яких виділяється тепло, проходять посилено при знижених температурах, а при підвищених відбуваються реакції з поглинанням тепла. Спочатку, коли метал ще недостатньо нагрівся у ванні, відбувається окислення кремнію, марганцю і фосфору. На відміну від них вуглець починає окислюватися при більш високій температурі.

Очищення від домішок на етапі розплавлення породи

Процес очищення киснем іноді називають основним кисневим процесом. Домішки, які видаляють при менших температурах, включають сірку, фосфор і кремній (Si, P, Mn).

Фосфор, як і кремній, а також подібні до них елементи утворюють оксиди. Для значного прискорення окислення домішок додають окалину або залізну руду, які мають в складі оксиди заліза. Також додають вапно, яке плавиться при 2570 градусах за Цельсієм і залишається твердим при температурах, потрібних для виготовлення стали, але коли вона змішується з іншими оксидами, всі вони плавляться разом.

Утворені речовини, такі як силікат кальцію або фосфат кальцію, створюють шлак, що легко видаляється.

Обезвуглецювання сталевого сплаву

Видалення вуглецю починається в той момент, коли метал нагрітий до температури від 700 градусів за Цельсієм. У розплавленому металі вуглець вступає в реакцію з іншими газами: киснем і воднем. В процесі створюється газоподібний продукт, монооксид вуглецю, який легко видаляється, як газ. Якщо вуглець окислюється нижче заданого рівня, додають вуглецевий порошок, щоб знову підняти його зміст.

У той момент, коли рівень вуглецю в рідкій сталі знижується, рівень розчиненого кисню збільшується. Тому рівень розчиненого кисню в рідкій сталі також необхідно знижувати.

Знесірчення сплаву

Для видалення сірки через розплавлене залізо нерідко продувається порошок магнію, сірка реагує з ним, утворюючи сульфід магнію. При цьому на поверхні заліза утворюється шлак, від якого позбуваються. Оскільки знесірчення в процесі виплавки сталі зазвичай несумісне з іншими процесами очищення, воно часто здійснюється ззовні по відношенню до іншої частини процесу.

Розкислення сплаву

В кінці виплавки рідку сталь обов’язково розкисляють шляхом додавання алюмінію, кремнію та інших розкислювачів. Вони вступають в реакцію з небажаним киснем, утворюючи міцні оксиди: оксид алюмінію або кремнезем, які спливають на поверхню стали. Рух цих включень вгору нерідко відбувається повільно, тому прийнято застосовувати комбінації різних розкислювачів для освіти більш крупних включень, які легше і швидше спливають.

Коли сталь вже має бажаний хімічний склад, її відливають. Якщо вироблена сталь все ще не відповідає металургійним специфікаціям замовника, перед затвердінням може знадобитися остаточна вторинна очистка. Тому для зберігання розплавленого чавуну і сталі нерідко використовуються спеціальні ємності різних типів.

Вид виробленої сталі визначається контролем кількості газу, що виділяється при затвердінні.

Існують:

  • Спокійна сталь, яка була повністю розкислена перед розливанням. Виділення газу під час затвердіння практично не відбувається. Така сталь характеризується високим ступенем хімічної однорідності і відсутністю газової пористості.
  • Напівспокійна сталь, в якій окис вуглецю залишає пористість, розподілену по всьому зливку. Така основа зазвичай використовується для виробництва конструкційної сталі з вмістом вуглецю від 0,15 до 0,25%, оскільки коли її прокочують, пористість усувається.
  • Кипляча сталь, крихка, що піддається корозії і не зварюється.

Леговані стали, а також нержавіючі і жароміцні стали зазвичай виробляються як розкислені.

Устаткування для виготовлення і обробки сталей

У наш час сталь нерідко обробляється і виготовляється в комплексі, об’єднуючи первинну металургію, вторинну металургію і виробництво напівфабрикатів на одному підприємстві з метою економії транспорту, енергії і, отже, витрат. Незалежно від способу переробки технологічний процес складається з наступних основних операцій:

  • підготовка шихти,
  • завантаження шихти в плавильний агрегат,
  • плавління і розкислення сталі,
  • розливання сталі і вивантаження злитків.

Обладнання включає в себе різні печі, перетворювачі, ковші, ємності, поворотні станини, складські майданчики, обладнання для безперервного розливу сталі та ін. Технічне оснащення розміщується в різних виробничих зонах: на ділянці кисневих конвертерів, в зоні печей, в зоні вторинної металургії і т.д.

Виробництво сталі має довгу історію, але сучасне обладнання і технології вже кардинально відрізняються від тих, які використовували кілька десятків років тому.

Металобаза в Дніпрі ПП ТД ТАМ — постачальник листового металопрокату в Дніпрі. Нашими пріоритетами є високий контроль якості та організація безперервного навчання персоналу. Основні напрямки нашої діяльності — оптова та роздрібна торгівля листової сталі в Дніпрі, всі види обробки металу, виготовлення сталевих профілів і конструкцій.