It's okay, fetishes are the first step to happiness/Тачи, ты одна как гайнакс или триггер
Загальна характеристика способів виробництва заліза та сталіЗагальна характеристика способів виробництва заліза та сталі
У загальному випадку метали розділяють на чорні та кольорові. До групи чорних металів ставляться залізо і його сплави, марганець і хром. До кольорового ставляться майже всі інші метали. Залізо і його сплави становлять більше 90 % всіх металів, застосовуваних у сучасному виробництві. Найважливішим зі сплавів заліза є його сплав з вуглецем. Вуглець надає міцність сплавам заліза. Ці сплави утворюють більшу групу чавунів і сталей. Сталями називають сплави заліза з вуглецем, зміст якого не перевищує 2,14 %. Сталь - найважливіший конструкційний матеріал для машинобудування, транспорту й т.д.
Сталеплавильне виробництво - це одержання сталі із чавуну й сталевого лому в сталеплавильних агрегатах металургійних заводів, що є другою ланкою в загальному виробничому циклі чорної металургії. У сучасній металургії основними способами виплавки сталі є киснево-конвертерний, мартенівський й електросталеплавильний процеси.
Технології отримання заліза та сталі
Підготовка руди.
Перш ніж почати виробництво первинного заліза, необхідно підготувати вихідну сировину (залізну руду). Типи залізної руди: магнітний залізняк, гематит/червоний залізняк і лімоніт/бурий залізняк, причому усі вони містять включення/домішки в звичайному стані. Руда в подальшому збагачується і рудний концентрат, що являє собою агломерований/окускований матеріал у виді великих часток, використовуються для наступних кроків процесу. Одним з методів агломерування є спікання/випал агломераційний. Спікання перетворить суміш дрібних часточок руди в гранульовані грудки, що придатні для робочої температури доменної печі. Її метою є підвищення вмісту заліза в низькоякісній руді, щоб мінімізувати потребу в розплавлюванні руди в домні, і відповідно скоротити витрати коксу, а також, забезпечити агломерат з дуже високим вмістом заліза, що дозволяє виконувати очищення безпосередньо в процесі виробництва.
Підготовка коксу.
Коксом називають твердий залишок термічної обробки певних сортів кам'яного вугілля при температурі 900-1100 0С без доступу повітря. Кокс є первинним паливом, що використовується в доменній печі для одержання чушкового чавуна з залізної руди.
Процес коксування вугілля протікає в камерах коксівних печей, які мають форму паралелепіпеда шириною 350-400 мм, заввишки 5000 мм. Коксівні камери групуються в батареї по 60-80 камер. Вихід продуктів коксування на 1000 кг сухої шихти: коксу – 750-800 кг; коксівного газу – 320-330 м3; смоли – близько 35 кг; бензолу близько 11 кг. Добова продуктивність однієї камери 20-25 т.
Вугілля звичайно завантажується в коксувальні печі при температурі навколишнього середовища, і його вологість 6-12%. Процес спікання коксу триває близько 15 годин, протягом яких відбувається видалення вологи і значної частини летючих речовин (при температурі до 350 оС); перехід шихти в пластичний стан (в інтервалі температур 350-500 оС); отримання твердого напівкоксу з виділенням смоли і летючих речовин (в інтервалі температур 500-1000 оС); утворення коксу – маса зменшується в об'ємі, розтріскується (при температурах 1000-1100 оС). В подальшому кокс охолоджується.
Доменне виробництво.
Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо, вогнетривкі матеріали. Рудою називають гірські породи, які містять метали в кількості, яка забезпечує їх економічну переробку. Флюсом називають матеріали, які утворюють при плавці шлак - легкоплавку суміш з пустої породи, палива та іншими не металічними включеннями. Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний або коксовий газ, мазут.
У працюючій доменній печі проходить сукупність процесів між рудою, флюсом та паливом в обмеженому просторі і, природно, роблять вплив один на одного і залежать один від одного. У цю сукупність входять: рух шихтових матеріалів, рух чавуну і шлаку, рух газу в доменній печі, розкладання і відновлення матеріалів, плавлення чавуну і шлаку, горіння палива, теплообмін між газом і шихтою, шлаком і чавуном. Особливістю доменного процесу є те, що всі перераховані його складові протікають одночасно
Чавун виплавляють в доменних шахтних печах, які викладені з вогнетривкої цегли і заключені в кожух з листової сталі товщиною до 35 мм. Сучасна доменна піч висотою до 35 м з корисним об’ємом до 5000 м разом з допоміжним обладнанням представляє собою складну інженерну споруду. Доменна піч (рис.) має кілька елементів. Серед основних: самий верхній елемент доменної печі, має форму циліндра – колошник (6). Його технологічні функції – прийом і необхідний розподіл завантажуваних у піч матеріалів; шахта (5), яка має форму усіченого конуса, що розширюється вниз. Така форма шахти полегшує опускання шихтових матеріалів, які у міру нагрівання збільшуються в об'ємі. В шахті відбувається нагрів матеріалів, їхнє відновлення, а в нижній частині шахти створення чавуну і шлаку; найширший елемент доменної печі є розпар (4), який має форму циліндра і служить перехідним елементом між шахтою і заплечіками (3), які мають форму усіченого конуса, звужуються донизу. В розпарі закінчується розплавлення шихтових матеріалів, продовжується їхній нагрів і відновлення; заплечики (3) де всі матеріали окрім коксу знаходяться в рідкому стані, їхній об'єм за рахунок цього зменшується, зменшуються і поперечні розміри доменної печі; самий нижній елементом профілю доменної печі є горно (2), що має форму циліндра. Додаткові елементи: 1 – чавунна льотка; 7 – засипний апарат; 8 – горизонт утворення чавуну; 9 – горизонт утворення шлаку; 10 – зони горіння коксу; 11 – шар шлаку; 12 – шлакова льотка; 13 – шар чавуну.
У доменній печі вся залізна руда перетворюється в металеве залізо. Залізна руда, кокс і флюс завантажуються зверху, і просуваються вниз. У верхній частині горна розташовані фурмені прилади, через які в доменну піч подається нагріте повітря, зване гарячим дуттям. У фурмених зонах йде процес взаємодії кисню дуття з вуглецем палива, розвиваються найвищі в доменній печі температури (біля 2000 оС),
Процес плавлення відбувається в кілька етапів. Руда, кокс і флюс підігріваються у верхній частині домни гарячими газами, що відходять. В міру опускання завантаженої сировини відбувається часткове виділення/відновлення заліза при температурі близько 600оC. При подальшому опусканні завантаженої сировини температура підвищується до 1000оС і відбувається пряме відновлення.
У даній реакції при взаємодії розпеченого коксу й оксидів заліза виходить металеве залізо й оксид вуглецю - чадний газ. Остаточна реакція відбувається в горні печі, де температура остаточно підвищується до 1600оC. У горні залізо і шлак розплавляються, і періодично виробляється випуск плавки. Зроблений у доменній печі чушковий чавун вимагає додаткової переробки для одержання сталі.
Виробництво сталі в конверторах.
Конвертерний процес був першим способом виробництва сталі в масових масштабах. Конвертерне виробництво сталі – це отримання сталі в сталеплавильних агрегатах – конвертерах шляхом продування рідкого чавуну повітрям або киснем без використання палива.
Перетворення чавуну в сталь відбувається завдяки окисленню домішок (які містяться в чавуні -кремнію, марганцю, вуглецю) технічно чистим киснем (який подається в конвертер через фурму) та наступним видаленням їх з розплаву. При цьому додаткове підведення тепла зовні не відбувається, процес виплавляння сталі здійснюється лише хімічним теплом екзотермічних реакцій окислення та фізичним теплом, що вноситься рідким чавуном. Підведення газоподібного окислювача відбувається з високою інтенсивністю, що дозволяє отримати велику реакційну поверхню, а процеси характеризуються високою швидкістю окислення та продуктивністю.
Успіх киснево-конвертерного способу полягає в можливості переробки чавуну практично будь-якого складу, використанням металобрухту від 10 до 30 %, можливість виплавки широкого сортаменту сталей, включаючи леговані, високою продуктивністю, малими витратами на будівництво, великою гнучкістю і якістю продукції.
Різноманіття вихідних шихтових матеріалів, що визначається головним чином хімічним складом залізних руд, а також вимоги до якості металу, що виплавляється, призвели до створення декількох різновидів конвертерного способу виробництва сталі. Відмінності полягають в складі вогнетривкої футерівки (кисла, основна); в складі окислювача (повітря, кисень, суміш газів), в способі підведення окислювача до ванни (верхнє, донне, комбіноване продування). На рисунку зображено киснево-конвертерний процес. Після завантаження всіх необхідних матеріалів в конвертер опускається фурма для подачі кисню 1. На дні є пористі вставки 4 для подачі аргону та азоту. В результаті протікання фізико-хімічних процесів утворюється шлак 2 та рідкий метал 3. Відвід газів здійснюється через газовий тракт 6. Контроль складу вихідних газів відбувається через отвір 5.
Кисневу фурму встановлюють в певному положенні та починають продування. За рахунок введення кисню окислюється вуглець, кремній, марганець та залізо. Із цих окислів (окрім СО), а також вапняку та інших сипучих матеріалів, що завантажуються в конвертер, формується шлак. Протягом продування в шлак з металу видаляються фосфор та сірка. Оксид вуглецю СО спінює метал та шлак, суттєво посилює циркуляцію, процеси окислення та нагрівання металу, а також забезпечує видалення з металу шкідливих газів – водню та азоту. Газоподібні продукти окислення вуглецю залишають конвертер через горловину, утворюючи високотемпературний потік відхідних газів. Теплота, що виділяється при реакціях окислення, забезпечує нагрівання металу до потрібної перед випусканням температури та розплавлення стального брухту. Температура плавлення чавуну залежить від його складу та в середньому приймається рівною 1175°С.
Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуну, становить 350 кубометрів. Плин киснево-конвертерного процесу обумовлюється температурним режимом і регулюється зміною кількості дуття й введенням у конвертер охолоджувачів - металобрухту, залізної руди, вапняку. Продування в залежності від інтенсивності подачі кисню триває 12-20 хвилин та закінчується на заданому вмісті вуглецю для утворення сталі певної марки.
По закінченню плавлення сталь з конвертера випускається в сталерозливний ківш, встановлений на сталевозі, а шлак – в ківш, встановлений на шлаковозі. Відхідні гази після конвертерного простору проходять через охолоджувач. Сталевоз перевозить ківш зі сталлю в розливальне відділення, де сталерозливний мостовий кран після пристрою стабілізації та доведення металу піднімає його на стенд машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) для заливання. Розлиту сталь ріжуть на заготовки та краном подають на стенд для заготовок.
Виробництво сталі в мартенівських печах - виробництво литої сталі заданого хімічного складу. Сталь отримують шляхом окисної плавки завантажених у піч залізовмісних матеріалів - чавуна, сталевого брухту, залізної руди і флюсів у результаті складних фізико-хімічних процесів взаємодії між металом, шлаком і газовим середовищем печі.
У залежності від складу вогнетривких матеріалів, з яких виготовлена подина печі, мартенівський процес буває двох типів: основний (у складі вогнетривів подини переважають основні окисли Ca, Mg - застосовують магнезитовий, магнезито-хромитовий, хромомагнезитовий цеглини, магнезитова порошок (для наварки пода)) і кислий (подина складається з Sі2 - динасова цегла і кварцовий пісок).Мартенівська піч складається з наступних основних частин (рис): робочого простору (1) - (звід (2), подина (3), передня (7) і задня стінки (8)), де здійснюється плавка; сталевипускного отвору (4); завалочного вікна (6); голівок (правої і лівої), що складаються з власне голівок (9) і вертикальних каналів (10) для подачі палива і повітря в робочий простір і відводу з нього продуктів згоряння (10), шлаковиків (11) (повітряних і газових) - для осадження і нагромадження пилу і часток шлаку, що випадають з минаючих через їх продуктів згоряння; отвору для спускання шлаку (5); регенераторів (12) (повітряних і газових) - для підігріву, що надходять у піч газу і повітря теплом вихідних з робочого простору продуктів згоряння; кабанів (каналів) для повітря, газу і продуктів згоряння; системи перекидних клапанів, призначених для зміни напрямку подачі в піч палива і повітря і відводу з робочого простору продуктів згоряння; казана-утилізатора; димаря . Робочий простір і голівки печі розташовані вище робочої площадки цеху (15) й умовно називаються верхньою будівлею печі. Інші частини знаходяться під робочою площадкою і називаються нижньою будівлею. Мартенівська піч - агрегат симетричний: права і ліва її сторони щодо вертикальної осі однакові по пристрої. Паливо і повітря для горіння надходять у робочий простір по черзі те з правої, то з лівої сторони; продукти згоряння видаляються з робочого простору відповідно з протилежної сторони. Зміна напрямку подачі палива і повітря, тобто зміна напрямку смолоскипа в робочому просторі, здійснюється системою клапанів і шиберів і називається "перекиданням" клапанів. Продукти згоряння надходять зі шлаковика в регенератор зверху при температурі 1500- 1600 °C і, проходячи по насадці (13) (вогнетривка кладка регенераторів), передають їй значну частину тепла, що міститься в них. При наступному проходженні через нагріту насадку холодного чи повітря газу вони нагріваються до 1100- 1200 0С.
Шихта мартенівських печей підрозділяється на металеву частину (чавун, сталевий брухт, окислювачі і легуючі добавки) і неметалічну (залізна руда, мартенівський агломерат, вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат). Чавун, застосовуваний або в рідкому стані, або у виді чушок, служить основним джерелом вуглецю, що забезпечує нормальне протікання мартенівського процесу. У мартенівському процесі (на відміну від конвертерних) тепла, що виділяється в результаті хімічних реакцій окислювання домішок металевої ванни, недостатньо для проведення плавки. Тому в піч додатково подається тепло, одержуване в результаті спалювання палива в робочому просторі. Паливом служать природний газ, мазут, коксовий і доменний гази.
У мартенівській плавці розрізняються звичайно наступні періоди: заправлення печі, завалка і прогрівши шихти, заливання рідкого чи завалка твердого чавуна, плавлення, кипіння, розкислення і легування, випуск. Заправлення печі має на меті підтримки в робочому стані всіх елементів кладки плавильного простору. Для цього в момент випуску плавки на подину і стінки в міру їхнього звільнення від шлаку заправною машиною закидають вогнетривкі матеріали. Після випуску з печі металу і шлаку подину ретельно оглядають і, якщо потрібно, виправляють замічені нерівності. Завалка шихти здійснюється завалочною машиною. У процесі заливання чавуна й у перший момент плавлення відбувається інтенсивне утворення шлаку, який утрудняє передачу тепла від смолоскипа до металу. У зв'язку з цим у першій половині плавлення видаляють з печі деякаукількість шлаку. У період плавлення забезпечується видалення з металу основної маси фосфору. Хімічний склад металевої ванни в момент повного розплавлювання помітно відрізняється від складу, що сталь повинна мати перед випуском плавки, а температура металу відносно невисока. Тому головне призначення наступних періодів плавки, називаних доведенням, полягає в тому, щоб забезпечити необхідне нагрівання металу, доведення його до заданого хімічного складу. У зв'язку з цим період кипіння - найбільш відповідальний період мартенівської плавки. Головною реакцією цього періоду є реакція окислювання розчиненого в рідкому металі вуглецю. Розкислення і легування - завершальний період плавки, основне призначення якого складається в зниженні змісту кисню в металі і доведенні складу металу до заданого по змісту всіх елементів.
Електричне виробництво сталі
Електросталеплавильне виробництво - це одержання якісних і високоякісних сталей в електричних печах. Виплавка сталі в електропечах заснована на використанні електроенергії для нагрівання металу. Тепло в електропечах виділяється в результаті перетворення електроенергії в теплову при горінні електричної дуги або в спеціальних нагрівальних елементах, або за рахунок збудження вихрових струмів.
На відміну від конвертерного й мартенівського процесів виділення тепла в електропечах не пов'язано зі споживанням окислювача. Тому електроплавку можна вести в будь-якому середовищі - окисному, відновлювальному, нейтральному й у широкому діапазоні тисків - в умовах вакууму, атмосферного або надлишкового тиску. Електросталь, призначену для подальшої переробки, виплавляють, головним чином у дугових й індукційних печах.
Виплавка сталі в електродугових печах
Дугові сталеплавильні печі (ДСП) знайшли широке застосування в чорній металургії для виробництва високоякісної сталі. Основне призначення дугової сталеплавильної печі (ДСП) прямої дії - виплавка сталі з металевого брухту (скрапу). У ДСП здійснюють лише ті процеси, які важко проводити в мартенівській печі або конверторі. У першу чергу - це одержання високолегованих сортів сталі, що вимагають ретельного очищення металу від шкідливих домішок (особливо сірки) і неметалічних включень. Джерелом тепла в ДСП є електрична дуга, що виникає між електродами й рідким металом або шихтою при додатку до електродів електричного струму необхідної сили. Температура електричної дуги перевищує .
ДСП працює на трифазному струмі частотою 50 Гц. Вона має чашоподібну форму; стінки печі виконані з вогнетривкої магнезитової цегли. Дно ванни печі виконують набивним з вогнетривкого порошку, змішаного з кам'яновугільною смолою, щоб створити шар непроникний для рідкого металу. Зверху піч перекривається сферичним вогнетривким зводом із трьома розташованими по вершинах правильного трикутника отворами, через які в піч входять три графітових електроди. Електроди затиснуті в сталевих електродотримачах, рукави яких закріплені на стійках, здатних переміщатися нагору і вниз по напрямних за допомогою електрододвигунів.
Струм підводиться до електродотримачів від спеціального трифазного понижуючого трансформатора за допомогою мідних шин, гнучких кабелів. Дуги горять між кінцями електродів і металом ванни, що електрично є нулем трифазної зірки навантаження. Випромінювання дуг, залежать від діаметра електродів і параметрів електричного режиму (діаметру електродів, напруги та довжини дуги). Переміщенням електродів нагору і вниз можна регулювати довжину дуги, а з нею струм і потужність кожної фази печі.
Механізм нахилу печі здійснює качання секторів по площадках і роликах, тим самим нахиляючи всю піч зі стійками й електродами на – 450 у бік зливного жолоба для зливу металу в ковші і на 150 в бік робочого вікна для вивантаження шлаку. Для завантаження печі звід її піднімають і відвертають разом з електродами спеціальними механізмами убік, залишаючи ванну печі відкритої. Шихту завантажують у завантажувальну баддю, вона встановлюється краном під піччю, дно бадді розкривається, і шихта падає в піч.
Цикл роботи дугової сталеплавильної печі поділяють на періоди: 1) енергетичний, протягом якого здійснюється нагрівання шихти і плавлення металу (І); 2) технологічний, що складається у свою чергу з окисного (ІІ) і відновлювального (ІІІ) періодів; 3) допоміжний (ІV), протягом якого відбуваються випуск готового металу, заправлення, очищення і завантаження печі. В енергетичний період піч поживає найбільшу потужність, необхідну для прогріву шихти і для покриття теплоти її плавлення. Тривалість цього періоду складає 50—60 % загальної тривалості процесу плавки, а витрата електроенергії дорівнює 60—80 % енергії, споживаної на всю плавку. В окисний період відбуваються видалення з металу вуглеводню до визначеної межі, видалення фосфору і частково сірки, дегазація і рафінування. Окислювання вуглецю викликає енергійне кипіння металу. У цей період споживана потужність йде в основному на заповнення частини теплових втрат і складає приблизно 60% номінальної. У відновлювальний період відбуваються розкислення, десульфурація і легування металу. Споживана потужність у цей період складає приблизно 50 % номінальної.
Виплавка сталі в індукційних печах.
Вода
В індукційних печах для виплавки металу використовується тепло, що виділяється в металі за рахунок збудження в ньому електричного струму змінним магнітним полем. Індукційна піч складається з вогнетривкого тигля, поміщеного в індуктор, який служить джерелом магнітного поля в печі. Індуктор являє собою соленоїд, виконаний з мідної водоохолоджуючої трубки. Шихта, поміщена в тигель печі, піддається впливу змінного магнітного поля, що виникає від індуктора, нагрівається в наслідок теплового впливу вихрових струмів. Струм до індуктора подається гнучкими кабелями. Воду для охолодження підводять гумовими шлангами. Вся піч укладена в металевий кожух. Зверху тигель закривається зводом. Для зливу металу кожух може нахилятися убік зливального носка. В індукційних печах виплавляють, як правило, сталі й сплави складного хімічного складу. У порівнянні з дуговими електропечами індукційні печі мають ряд переваг: відсутність електродів й електричних дуг дозволяє одержувати сталі й сплави з низьким змістом вуглецю й газів; плавка характеризується низьким вигаром легуючих елементів, високим технічним КПД і можливістю точного регулювання температури металу.
Оскільки плавлення в індукційній печі відбувається дуже швидко, шихта для неї використовується, як правило, з високоякісного металобрухту відомого складу. Перед плавкою відбувається точний розрахунок шихти по змісту вуглецю, сірки й фосфору, а також легуючих елементів. Шихту завантажують у тигель таким чином, щоб вона щільно заповнювала весь об'єм тигля. Після завантаження шихти включають струм на повну потужність. У міру проплавлення шихти завантажують частину, що залишилася. Потім на поверхню металу завантажують шлакоутворюючу суміш, що складається з вапна, магнезитового порошку й плавикового шпату. У процесі плавки шлаки розкисляють добавками порошку коксу й меленого розкислювача. По ходу плавки додають легуючі матеріали. Метал розкисляють кусковими феросплавами й наприкінці плавки алюмінієм.
У загальному випадку метали розділяють на чорні та кольорові. До групи чорних металів ставляться залізо і його сплави, марганець і хром. До кольорового ставляться майже всі інші метали. Залізо і його сплави становлять більше 90 % всіх металів, застосовуваних у сучасному виробництві. Найважливішим зі сплавів заліза є його сплав з вуглецем. Вуглець надає міцність сплавам заліза. Ці сплави утворюють більшу групу чавунів і сталей. Сталями називають сплави заліза з вуглецем, зміст якого не перевищує 2,14 %. Сталь - найважливіший конструкційний матеріал для машинобудування, транспорту й т.д.
Сталеплавильне виробництво - це одержання сталі із чавуну й сталевого лому в сталеплавильних агрегатах металургійних заводів, що є другою ланкою в загальному виробничому циклі чорної металургії. У сучасній металургії основними способами виплавки сталі є киснево-конвертерний, мартенівський й електросталеплавильний процеси.
Технології отримання заліза та сталі
Підготовка руди.
Перш ніж почати виробництво первинного заліза, необхідно підготувати вихідну сировину (залізну руду). Типи залізної руди: магнітний залізняк, гематит/червоний залізняк і лімоніт/бурий залізняк, причому усі вони містять включення/домішки в звичайному стані. Руда в подальшому збагачується і рудний концентрат, що являє собою агломерований/окускований матеріал у виді великих часток, використовуються для наступних кроків процесу. Одним з методів агломерування є спікання/випал агломераційний. Спікання перетворить суміш дрібних часточок руди в гранульовані грудки, що придатні для робочої температури доменної печі. Її метою є підвищення вмісту заліза в низькоякісній руді, щоб мінімізувати потребу в розплавлюванні руди в домні, і відповідно скоротити витрати коксу, а також, забезпечити агломерат з дуже високим вмістом заліза, що дозволяє виконувати очищення безпосередньо в процесі виробництва.
Підготовка коксу.
Коксом називають твердий залишок термічної обробки певних сортів кам'яного вугілля при температурі 900-1100 0С без доступу повітря. Кокс є первинним паливом, що використовується в доменній печі для одержання чушкового чавуна з залізної руди.
Процес коксування вугілля протікає в камерах коксівних печей, які мають форму паралелепіпеда шириною 350-400 мм, заввишки 5000 мм. Коксівні камери групуються в батареї по 60-80 камер. Вихід продуктів коксування на 1000 кг сухої шихти: коксу – 750-800 кг; коксівного газу – 320-330 м3; смоли – близько 35 кг; бензолу близько 11 кг. Добова продуктивність однієї камери 20-25 т.
Вугілля звичайно завантажується в коксувальні печі при температурі навколишнього середовища, і його вологість 6-12%. Процес спікання коксу триває близько 15 годин, протягом яких відбувається видалення вологи і значної частини летючих речовин (при температурі до 350 оС); перехід шихти в пластичний стан (в інтервалі температур 350-500 оС); отримання твердого напівкоксу з виділенням смоли і летючих речовин (в інтервалі температур 500-1000 оС); утворення коксу – маса зменшується в об'ємі, розтріскується (при температурах 1000-1100 оС). В подальшому кокс охолоджується.
Доменне виробництво.
Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо, вогнетривкі матеріали. Рудою називають гірські породи, які містять метали в кількості, яка забезпечує їх економічну переробку. Флюсом називають матеріали, які утворюють при плавці шлак - легкоплавку суміш з пустої породи, палива та іншими не металічними включеннями. Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний або коксовий газ, мазут.
У працюючій доменній печі проходить сукупність процесів між рудою, флюсом та паливом в обмеженому просторі і, природно, роблять вплив один на одного і залежать один від одного. У цю сукупність входять: рух шихтових матеріалів, рух чавуну і шлаку, рух газу в доменній печі, розкладання і відновлення матеріалів, плавлення чавуну і шлаку, горіння палива, теплообмін між газом і шихтою, шлаком і чавуном. Особливістю доменного процесу є те, що всі перераховані його складові протікають одночасно
Чавун виплавляють в доменних шахтних печах, які викладені з вогнетривкої цегли і заключені в кожух з листової сталі товщиною до 35 мм. Сучасна доменна піч висотою до 35 м з корисним об’ємом до 5000 м разом з допоміжним обладнанням представляє собою складну інженерну споруду. Доменна піч (рис.) має кілька елементів. Серед основних: самий верхній елемент доменної печі, має форму циліндра – колошник (6). Його технологічні функції – прийом і необхідний розподіл завантажуваних у піч матеріалів; шахта (5), яка має форму усіченого конуса, що розширюється вниз. Така форма шахти полегшує опускання шихтових матеріалів, які у міру нагрівання збільшуються в об'ємі. В шахті відбувається нагрів матеріалів, їхнє відновлення, а в нижній частині шахти створення чавуну і шлаку; найширший елемент доменної печі є розпар (4), який має форму циліндра і служить перехідним елементом між шахтою і заплечіками (3), які мають форму усіченого конуса, звужуються донизу. В розпарі закінчується розплавлення шихтових матеріалів, продовжується їхній нагрів і відновлення; заплечики (3) де всі матеріали окрім коксу знаходяться в рідкому стані, їхній об'єм за рахунок цього зменшується, зменшуються і поперечні розміри доменної печі; самий нижній елементом профілю доменної печі є горно (2), що має форму циліндра. Додаткові елементи: 1 – чавунна льотка; 7 – засипний апарат; 8 – горизонт утворення чавуну; 9 – горизонт утворення шлаку; 10 – зони горіння коксу; 11 – шар шлаку; 12 – шлакова льотка; 13 – шар чавуну.
У доменній печі вся залізна руда перетворюється в металеве залізо. Залізна руда, кокс і флюс завантажуються зверху, і просуваються вниз. У верхній частині горна розташовані фурмені прилади, через які в доменну піч подається нагріте повітря, зване гарячим дуттям. У фурмених зонах йде процес взаємодії кисню дуття з вуглецем палива, розвиваються найвищі в доменній печі температури (біля 2000 оС),
Процес плавлення відбувається в кілька етапів. Руда, кокс і флюс підігріваються у верхній частині домни гарячими газами, що відходять. В міру опускання завантаженої сировини відбувається часткове виділення/відновлення заліза при температурі близько 600оC. При подальшому опусканні завантаженої сировини температура підвищується до 1000оС і відбувається пряме відновлення.
У даній реакції при взаємодії розпеченого коксу й оксидів заліза виходить металеве залізо й оксид вуглецю - чадний газ. Остаточна реакція відбувається в горні печі, де температура остаточно підвищується до 1600оC. У горні залізо і шлак розплавляються, і періодично виробляється випуск плавки. Зроблений у доменній печі чушковий чавун вимагає додаткової переробки для одержання сталі.
Виробництво сталі в конверторах.
Конвертерний процес був першим способом виробництва сталі в масових масштабах. Конвертерне виробництво сталі – це отримання сталі в сталеплавильних агрегатах – конвертерах шляхом продування рідкого чавуну повітрям або киснем без використання палива.
Перетворення чавуну в сталь відбувається завдяки окисленню домішок (які містяться в чавуні -кремнію, марганцю, вуглецю) технічно чистим киснем (який подається в конвертер через фурму) та наступним видаленням їх з розплаву. При цьому додаткове підведення тепла зовні не відбувається, процес виплавляння сталі здійснюється лише хімічним теплом екзотермічних реакцій окислення та фізичним теплом, що вноситься рідким чавуном. Підведення газоподібного окислювача відбувається з високою інтенсивністю, що дозволяє отримати велику реакційну поверхню, а процеси характеризуються високою швидкістю окислення та продуктивністю.
Успіх киснево-конвертерного способу полягає в можливості переробки чавуну практично будь-якого складу, використанням металобрухту від 10 до 30 %, можливість виплавки широкого сортаменту сталей, включаючи леговані, високою продуктивністю, малими витратами на будівництво, великою гнучкістю і якістю продукції.
Різноманіття вихідних шихтових матеріалів, що визначається головним чином хімічним складом залізних руд, а також вимоги до якості металу, що виплавляється, призвели до створення декількох різновидів конвертерного способу виробництва сталі. Відмінності полягають в складі вогнетривкої футерівки (кисла, основна); в складі окислювача (повітря, кисень, суміш газів), в способі підведення окислювача до ванни (верхнє, донне, комбіноване продування). На рисунку зображено киснево-конвертерний процес. Після завантаження всіх необхідних матеріалів в конвертер опускається фурма для подачі кисню 1. На дні є пористі вставки 4 для подачі аргону та азоту. В результаті протікання фізико-хімічних процесів утворюється шлак 2 та рідкий метал 3. Відвід газів здійснюється через газовий тракт 6. Контроль складу вихідних газів відбувається через отвір 5.
Кисневу фурму встановлюють в певному положенні та починають продування. За рахунок введення кисню окислюється вуглець, кремній, марганець та залізо. Із цих окислів (окрім СО), а також вапняку та інших сипучих матеріалів, що завантажуються в конвертер, формується шлак. Протягом продування в шлак з металу видаляються фосфор та сірка. Оксид вуглецю СО спінює метал та шлак, суттєво посилює циркуляцію, процеси окислення та нагрівання металу, а також забезпечує видалення з металу шкідливих газів – водню та азоту. Газоподібні продукти окислення вуглецю залишають конвертер через горловину, утворюючи високотемпературний потік відхідних газів. Теплота, що виділяється при реакціях окислення, забезпечує нагрівання металу до потрібної перед випусканням температури та розплавлення стального брухту. Температура плавлення чавуну залежить від його складу та в середньому приймається рівною 1175°С.
Кількість повітря необхідного для переробки 1 т чавуну, становить 350 кубометрів. Плин киснево-конвертерного процесу обумовлюється температурним режимом і регулюється зміною кількості дуття й введенням у конвертер охолоджувачів - металобрухту, залізної руди, вапняку. Продування в залежності від інтенсивності подачі кисню триває 12-20 хвилин та закінчується на заданому вмісті вуглецю для утворення сталі певної марки.
По закінченню плавлення сталь з конвертера випускається в сталерозливний ківш, встановлений на сталевозі, а шлак – в ківш, встановлений на шлаковозі. Відхідні гази після конвертерного простору проходять через охолоджувач. Сталевоз перевозить ківш зі сталлю в розливальне відділення, де сталерозливний мостовий кран після пристрою стабілізації та доведення металу піднімає його на стенд машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) для заливання. Розлиту сталь ріжуть на заготовки та краном подають на стенд для заготовок.
Виробництво сталі в мартенівських печах - виробництво литої сталі заданого хімічного складу. Сталь отримують шляхом окисної плавки завантажених у піч залізовмісних матеріалів - чавуна, сталевого брухту, залізної руди і флюсів у результаті складних фізико-хімічних процесів взаємодії між металом, шлаком і газовим середовищем печі.
У залежності від складу вогнетривких матеріалів, з яких виготовлена подина печі, мартенівський процес буває двох типів: основний (у складі вогнетривів подини переважають основні окисли Ca, Mg - застосовують магнезитовий, магнезито-хромитовий, хромомагнезитовий цеглини, магнезитова порошок (для наварки пода)) і кислий (подина складається з Sі2 - динасова цегла і кварцовий пісок).Мартенівська піч складається з наступних основних частин (рис): робочого простору (1) - (звід (2), подина (3), передня (7) і задня стінки (8)), де здійснюється плавка; сталевипускного отвору (4); завалочного вікна (6); голівок (правої і лівої), що складаються з власне голівок (9) і вертикальних каналів (10) для подачі палива і повітря в робочий простір і відводу з нього продуктів згоряння (10), шлаковиків (11) (повітряних і газових) - для осадження і нагромадження пилу і часток шлаку, що випадають з минаючих через їх продуктів згоряння; отвору для спускання шлаку (5); регенераторів (12) (повітряних і газових) - для підігріву, що надходять у піч газу і повітря теплом вихідних з робочого простору продуктів згоряння; кабанів (каналів) для повітря, газу і продуктів згоряння; системи перекидних клапанів, призначених для зміни напрямку подачі в піч палива і повітря і відводу з робочого простору продуктів згоряння; казана-утилізатора; димаря . Робочий простір і голівки печі розташовані вище робочої площадки цеху (15) й умовно називаються верхньою будівлею печі. Інші частини знаходяться під робочою площадкою і називаються нижньою будівлею. Мартенівська піч - агрегат симетричний: права і ліва її сторони щодо вертикальної осі однакові по пристрої. Паливо і повітря для горіння надходять у робочий простір по черзі те з правої, то з лівої сторони; продукти згоряння видаляються з робочого простору відповідно з протилежної сторони. Зміна напрямку подачі палива і повітря, тобто зміна напрямку смолоскипа в робочому просторі, здійснюється системою клапанів і шиберів і називається "перекиданням" клапанів. Продукти згоряння надходять зі шлаковика в регенератор зверху при температурі 1500- 1600 °C і, проходячи по насадці (13) (вогнетривка кладка регенераторів), передають їй значну частину тепла, що міститься в них. При наступному проходженні через нагріту насадку холодного чи повітря газу вони нагріваються до 1100- 1200 0С.
Шихта мартенівських печей підрозділяється на металеву частину (чавун, сталевий брухт, окислювачі і легуючі добавки) і неметалічну (залізна руда, мартенівський агломерат, вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат). Чавун, застосовуваний або в рідкому стані, або у виді чушок, служить основним джерелом вуглецю, що забезпечує нормальне протікання мартенівського процесу. У мартенівському процесі (на відміну від конвертерних) тепла, що виділяється в результаті хімічних реакцій окислювання домішок металевої ванни, недостатньо для проведення плавки. Тому в піч додатково подається тепло, одержуване в результаті спалювання палива в робочому просторі. Паливом служать природний газ, мазут, коксовий і доменний гази.
У мартенівській плавці розрізняються звичайно наступні періоди: заправлення печі, завалка і прогрівши шихти, заливання рідкого чи завалка твердого чавуна, плавлення, кипіння, розкислення і легування, випуск. Заправлення печі має на меті підтримки в робочому стані всіх елементів кладки плавильного простору. Для цього в момент випуску плавки на подину і стінки в міру їхнього звільнення від шлаку заправною машиною закидають вогнетривкі матеріали. Після випуску з печі металу і шлаку подину ретельно оглядають і, якщо потрібно, виправляють замічені нерівності. Завалка шихти здійснюється завалочною машиною. У процесі заливання чавуна й у перший момент плавлення відбувається інтенсивне утворення шлаку, який утрудняє передачу тепла від смолоскипа до металу. У зв'язку з цим у першій половині плавлення видаляють з печі деякаукількість шлаку. У період плавлення забезпечується видалення з металу основної маси фосфору. Хімічний склад металевої ванни в момент повного розплавлювання помітно відрізняється від складу, що сталь повинна мати перед випуском плавки, а температура металу відносно невисока. Тому головне призначення наступних періодів плавки, називаних доведенням, полягає в тому, щоб забезпечити необхідне нагрівання металу, доведення його до заданого хімічного складу. У зв'язку з цим період кипіння - найбільш відповідальний період мартенівської плавки. Головною реакцією цього періоду є реакція окислювання розчиненого в рідкому металі вуглецю. Розкислення і легування - завершальний період плавки, основне призначення якого складається в зниженні змісту кисню в металі і доведенні складу металу до заданого по змісту всіх елементів.
Електричне виробництво сталі
Електросталеплавильне виробництво - це одержання якісних і високоякісних сталей в електричних печах. Виплавка сталі в електропечах заснована на використанні електроенергії для нагрівання металу. Тепло в електропечах виділяється в результаті перетворення електроенергії в теплову при горінні електричної дуги або в спеціальних нагрівальних елементах, або за рахунок збудження вихрових струмів.
На відміну від конвертерного й мартенівського процесів виділення тепла в електропечах не пов'язано зі споживанням окислювача. Тому електроплавку можна вести в будь-якому середовищі - окисному, відновлювальному, нейтральному й у широкому діапазоні тисків - в умовах вакууму, атмосферного або надлишкового тиску. Електросталь, призначену для подальшої переробки, виплавляють, головним чином у дугових й індукційних печах.
Виплавка сталі в електродугових печах
Дугові сталеплавильні печі (ДСП) знайшли широке застосування в чорній металургії для виробництва високоякісної сталі. Основне призначення дугової сталеплавильної печі (ДСП) прямої дії - виплавка сталі з металевого брухту (скрапу). У ДСП здійснюють лише ті процеси, які важко проводити в мартенівській печі або конверторі. У першу чергу - це одержання високолегованих сортів сталі, що вимагають ретельного очищення металу від шкідливих домішок (особливо сірки) і неметалічних включень. Джерелом тепла в ДСП є електрична дуга, що виникає між електродами й рідким металом або шихтою при додатку до електродів електричного струму необхідної сили. Температура електричної дуги перевищує .
ДСП працює на трифазному струмі частотою 50 Гц. Вона має чашоподібну форму; стінки печі виконані з вогнетривкої магнезитової цегли. Дно ванни печі виконують набивним з вогнетривкого порошку, змішаного з кам'яновугільною смолою, щоб створити шар непроникний для рідкого металу. Зверху піч перекривається сферичним вогнетривким зводом із трьома розташованими по вершинах правильного трикутника отворами, через які в піч входять три графітових електроди. Електроди затиснуті в сталевих електродотримачах, рукави яких закріплені на стійках, здатних переміщатися нагору і вниз по напрямних за допомогою електрододвигунів.
Струм підводиться до електродотримачів від спеціального трифазного понижуючого трансформатора за допомогою мідних шин, гнучких кабелів. Дуги горять між кінцями електродів і металом ванни, що електрично є нулем трифазної зірки навантаження. Випромінювання дуг, залежать від діаметра електродів і параметрів електричного режиму (діаметру електродів, напруги та довжини дуги). Переміщенням електродів нагору і вниз можна регулювати довжину дуги, а з нею струм і потужність кожної фази печі.
Механізм нахилу печі здійснює качання секторів по площадках і роликах, тим самим нахиляючи всю піч зі стійками й електродами на – 450 у бік зливного жолоба для зливу металу в ковші і на 150 в бік робочого вікна для вивантаження шлаку. Для завантаження печі звід її піднімають і відвертають разом з електродами спеціальними механізмами убік, залишаючи ванну печі відкритої. Шихту завантажують у завантажувальну баддю, вона встановлюється краном під піччю, дно бадді розкривається, і шихта падає в піч.
Цикл роботи дугової сталеплавильної печі поділяють на періоди: 1) енергетичний, протягом якого здійснюється нагрівання шихти і плавлення металу (І); 2) технологічний, що складається у свою чергу з окисного (ІІ) і відновлювального (ІІІ) періодів; 3) допоміжний (ІV), протягом якого відбуваються випуск готового металу, заправлення, очищення і завантаження печі. В енергетичний період піч поживає найбільшу потужність, необхідну для прогріву шихти і для покриття теплоти її плавлення. Тривалість цього періоду складає 50—60 % загальної тривалості процесу плавки, а витрата електроенергії дорівнює 60—80 % енергії, споживаної на всю плавку. В окисний період відбуваються видалення з металу вуглеводню до визначеної межі, видалення фосфору і частково сірки, дегазація і рафінування. Окислювання вуглецю викликає енергійне кипіння металу. У цей період споживана потужність йде в основному на заповнення частини теплових втрат і складає приблизно 60% номінальної. У відновлювальний період відбуваються розкислення, десульфурація і легування металу. Споживана потужність у цей період складає приблизно 50 % номінальної.
Виплавка сталі в індукційних печах.
Вода
В індукційних печах для виплавки металу використовується тепло, що виділяється в металі за рахунок збудження в ньому електричного струму змінним магнітним полем. Індукційна піч складається з вогнетривкого тигля, поміщеного в індуктор, який служить джерелом магнітного поля в печі. Індуктор являє собою соленоїд, виконаний з мідної водоохолоджуючої трубки. Шихта, поміщена в тигель печі, піддається впливу змінного магнітного поля, що виникає від індуктора, нагрівається в наслідок теплового впливу вихрових струмів. Струм до індуктора подається гнучкими кабелями. Воду для охолодження підводять гумовими шлангами. Вся піч укладена в металевий кожух. Зверху тигель закривається зводом. Для зливу металу кожух може нахилятися убік зливального носка. В індукційних печах виплавляють, як правило, сталі й сплави складного хімічного складу. У порівнянні з дуговими електропечами індукційні печі мають ряд переваг: відсутність електродів й електричних дуг дозволяє одержувати сталі й сплави з низьким змістом вуглецю й газів; плавка характеризується низьким вигаром легуючих елементів, високим технічним КПД і можливістю точного регулювання температури металу.
Оскільки плавлення в індукційній печі відбувається дуже швидко, шихта для неї використовується, як правило, з високоякісного металобрухту відомого складу. Перед плавкою відбувається точний розрахунок шихти по змісту вуглецю, сірки й фосфору, а також легуючих елементів. Шихту завантажують у тигель таким чином, щоб вона щільно заповнювала весь об'єм тигля. Після завантаження шихти включають струм на повну потужність. У міру проплавлення шихти завантажують частину, що залишилася. Потім на поверхню металу завантажують шлакоутворюючу суміш, що складається з вапна, магнезитового порошку й плавикового шпату. У процесі плавки шлаки розкисляють добавками порошку коксу й меленого розкислювача. По ходу плавки додають легуючі матеріали. Метал розкисляють кусковими феросплавами й наприкінці плавки алюмінієм.