Сталь: отримання стали, процес і способи. Технологія отримання стали

Відео: Технологія виплавки сталі в кисневих конвертерах

Сталеві вироби навіть на тлі активного поширення високоміцних пластиків зберігають свої позиції на ринку. Вуглецеві сплави з різними характеристиками використовуються в приладо- і автомобілебудуванні, будівництві і на виробництвах. Унікальне поєднання пружності і міцності робить матеріал вигідним з точки зору тривалої експлуатації. Відповідно, вироби служать довше і дешевше обходяться в обслуговуванні. Але і це не все достоїнства, якими володіє сталь. Отримання стали із застосуванням сучасних технологій дозволяє наділяти структуру металу і додатковими властивостями.

Відео: Технологічний цикл виробництва чавуну, сталі та прокату

Загальні відомості про технології виробництва

Головне завдання технолога полягає в забезпеченні процесу, при якому в заготівлі зменшується вміст вуглецю і всіляких домішок, наприклад сірки і фосфору. Основою для заготівлі виступає чавун. Варто відзначити, що печі для виготовлення чавуну з`явилися ще в середні століття, в той час як перше отримання стали було реалізовано тільки в 1885 р, і до цього дня методи виробництва сплаву розвиваються і поліпшуються. Відмінності в підходах до процесу переважно обумовлені способом окислення вуглецю.

В якості вихідного матеріалу використовується ливарний чавун. Він може бути застосований в твердому або розплавленому вигляді. Також можуть застосовуватися залізовмісні вироби, отримання яких здійснювалося шляхом прямого відновлення. Практично всі способи отримання сталі в тому чи іншому вигляді також передбачають процес рафінування від домішок. Наприклад, конвертерна технологія забезпечує їх видування киснем.

конвертерний метод

При такому способі в якості основи може застосовуватися розплавлений чавун, а також домішки і відходи у вигляді руди, металевого брухту і флюсу. Стиснене повітря подається через технологічні отвори на підготовлену основу, сприяючи виконанню хімічних реакцій. Також в процесі бере участь тепловий вплив, при якому відбувається окислювання кисню і домішок. Особливе значення мають і характеристики пічного споруди, в якому обробляється сталь. Отримання стали може відбуватися в агрегатах з різною футеровкою - найбільш поширені способи захисту конструкцій вогнетривким цеглою і доломітового масою. За типом футерування конвертерний метод підрозділяється також на два інших способи: томасовський і бесемерівський.

Відео: Конвертерне виробництво сталі

Томасівський спосіб

Особливістю даного методу є ретельна переробка чавуну, що містить до 2% фосфорних домішок. Що стосується техніки футерування, то її реалізують із застосуванням оксидів кальцію і магнію. Завдяки цьому рішенню шлакообразующие елементи наділяються надмірною кількістю оксидів. Процес фосфорного горіння виступає одним з ключових джерел теплової енергії в даному випадку. До слова, згоряння 1% фосфорного наповнення підвищує температуру печі на 150 ° C. Томасівські сплави відрізняються малим вмістом вуглецю і найчастіше застосовуються в якості технічного заліза. Надалі з нього виготовляють дріт, дахове залізо і т. п. Крім того, отримання сталі (чавунів) може застосовуватися для вироблення фосфористого шлаку з метою подальшого використання в якості добрива на грунтах з підвищеною кислотністю.

бесемерівський спосіб

Цей спосіб передбачає переробку основ, в яких міститься невелика кількість сірки і фосфору. Але при цьому відзначається і високий вміст кремнію - близько 2%. В процесі продування в першу чергу відбувається окислення кремнію, що сприяє інтенсивному виділенню тепла. В результаті температура в печі підвищується до 1600 ° C. Окислення заліза відбувається також інтенсивно в міру згоряння вуглецю і кремнію. При бессемеровском способі процес отримання сталі передбачає повний перехід фосфору в сталь. Всі реакції в печі йдуть швидко - в середньому 15 хв. Пов`язано це з тим, що кисень, що видувається через чавунну основу, вступає в реакції з відповідними речовинами по всьому об`єму. Готова ж сталь може містити високу концентрацію монооксиду заліза в розчиненому вигляді. Дана особливість відноситься до мінусів процесу, так як загальна якість металу знижується. З цієї причини технологи рекомендують перед розливанням раскіслівать сплави за допомогою спеціальних компонентів у вигляді феромарганцю, феросиліцію або алюмінію.

Відео: Навчальний фільм - термообробка стали. Загартування. Відпустка. Відпал. нормалізація

Отримання в мартенівських печах

Якщо у випадку з конвертерний спосіб виготовлення металу передбачається забезпечення випалу повітряним киснем, то мартенівський спосіб вимагає включення в технологічний процес залізних руд і іржавого брухту. З цих матеріалів утворюється кисень оксиду заліза, який також сприяє вигоряння вуглецю. Сама ж піч включає в основу конструкції плавильну ванну, яка закривається жароміцної цегляною стіною. Також передбачається кілька камер регенераторів, що забезпечують попереднє прогрівання повітряної маси і газу. Регенеруючі блоки оснащуються спеціальними насадками, виконаними з вогнестійкого цегли.

Як і конвертери, мартенівські плавільнікі функціонують періодично. У міру закладки нових партій шихти, тобто чавунної основи, поетапно проводиться і сталь. Отримання стали відбувається повільно, так як переробка чавуну займає близько 7 год. Але зате мартени дозволяють регулювати хімічні властивості сплаву шляхом внесення залізних добавок в різних пропорціях - для цього використовуються руда і лом. На завершальній стадії формування металу робота печі зупиняється, шлак зливають, після чого додається раскислитель. До речі, в такій печі можна отримувати і леговані стали.

електротермічний спосіб

На сьогоднішній день електротермічне отримання сталей вважається найбільш ефективним. Так, в порівнянні з мартеновскими печами і конвертером дана методика забезпечує можливість більш точного контролю якості стали - в тому числі за рахунок регуляції хімічного складу. На окрему увагу заслуговує і взаємодія пічних камер з повітряним середовищем. Електротермічна технологія отримання стали передбачає мінімальний доступ до повітря, обумовлюючи вже інші переваги. Наприклад, це дозволяє мінімізувати скупчення монооксиду заліза і сторонніх часток в сплаві, а також забезпечувати більш ефективне вигоряння фосфору і сірки.

Високий температурний режим на рівні 1650 ° C дає можливість виконувати плавку проблемних шлаків, які вимагають термічної дії на підвищених потужностях. Також в електропечах можна здійснювати легування стали за рахунок тугоплавких металів, серед яких вольфрам і молібден. Однак є і серйозний недолік у даного методу отримання сталей. Використовувані печі вимагають великих обсягів енергії, що робить цей процес найдорожчим.

Залежність властивостей металу від елементної бази

Експлуатаційні якості стали визначаються набором хімічних елементів, якими був наділений сплав в ході виготовлення. Одним з ключових компонентів, завдяки яким даний метал знаходить свої основні властивості у вигляді твердості і міцності, є вуглець. Чим він вищий, тим надійніше сталь. Марганець з кремнієм особливого впливу на якості матеріалу не роблять, але їх використання необхідно в виготовленні деяких марок сталі для виконання процесу розкислення. Негативний же вплив на формування вироби надають сірка і фосфор. Залежно від того, по якій техніці виконувалося отримання, склад стали може мати різні концентрації цих речовин. У будь-якому випадку сірка підвищує ламкість металу, а також зменшує властивості міцності і пластичності. Фосфор, в свою чергу, наділяє сталь хладноломкость, яка в процесі експлуатації може бути виражена крихкістю.

Техніки обробки сталей

Далеко не завжди процес остаточного формування структури металу завершується після основного отримання. Надалі, з метою вдосконалення характеристик виробу, можуть застосовуватися засоби додаткової обробки. До таких можна віднести деформаційні методи у вигляді кування, штампування і вальцювання. Це допомагає вже на етапі виробництва сформувати комплекс необхідних технічних властивостей, якими буде володіти готова сталь. Отримання стали на виході дає пластичну структуру, тому і технології первинної переробки досить різноманітні. Так, крім деформування, можуть застосовуватися методи загартування, відпалу і нормалізації.

висновок

Сталь асоціюється з надійністю і довговічністю. У випадку з якісними виробами цього виду такі характеристики виправдані. Наприклад, окремі марки забезпечують досить високі якості міцності і пружності. Залежно від того, за якою технологією виконувалося отримання, застосування стали може бути орієнтоване на підтримку твердості, здатність витримувати динамічні навантаження і т. Д. Найбільш вигідний з точки зору техніко-експлуатаційних властивостей метал дозволяє отримувати електротермічний спосіб. Але в той же час він є і найдорожчим, тому до даної методики вдаються тільки в особливих випадках - для створення спецсталі.