Сталь – это железоуглеродистый сплав, который содержит около 1,5% углерода, если его содержание увеличивается, то значительно повышается хрупкость и твердость стали. Основной исходный материал для производства стали - стальной лом и передельный чугун.
В первую очередь окисляется железо при взаимодействии кислорода и чугуна в сталеплавильных печах. Вместе с железом окисляются фосфор, кремний, углерод и марганец. Оксид железа, который образуется при высоком температурном режиме, отдает свой кислород в чугуне более активным примесям, при этом окисляя их.
Производство стали осуществляется в три стадии.
Первая стадия производства стали - расплавление породы
Происходит расплавление шихты и нагревается ванна жидкого металла. Температура металла невысокая, энергично окисляется железо, образуется оксид железа и окисляются примеси: марганец, кремний и фосфор.Самая важная задача этой стадии производства стали – это удаление фосфора. Для этого нужно проводить плавку в основной печи, где шлак будет содержать оксид кальция (CaO). Фосфорный ангидрид - P2O5 будет образовывать с оксидом железа непрочное соединение (FeO)3 x P2O5. Оксид кальция – как более сильное основание, по сравнению с оксидом железа, и при не очень высоких температурах связывает P2O5 и превращает его в шлак.
Для того чтобы удалить фосфор, нужна не очень высокая температура, ванны шлака и металла, достаточное содержание в шлаке FeO. Для того чтобы увеличить в шлаке содержание FeO и ускорить окисление примесей добавляется в печь окалина и железная руда, наводя железистый шлак. Постепенно, по мере удаления из металла в шлак фосфора, содержание в шлаке фосфора повышается. Так что нужно убрать данный шлак с зеркала металла, а затем заменить его новым со свежими добавками оксида кальция.
Вторая стадия производства стали - кипение
Происходит кипение металлической ванны. Начинается постепенно, по мере нагрева до высоких температур. При увеличении температуры интенсивней происходит реакция окисления углерода, протекающая с поглощением теплоты:Для того чтобы окислить углерод вводят в металл небольшое количество окалины, руды или вдувают кислород. При реакции углерода с оксидом железа, пузырьки оксида углерода выводятся из жидкого металла, и происходит "кипение ванны". Во время "кипения" сокращается в металле содержание углерода до требуемого количества, температура выравнивается по объему ванны, немного удаляются неметаллические включения, которые прилипают к всплывающим пузырькам CO и газы, которые проникают в пузырьки CO. Все это ведет к увеличению качества металла. А значит, данная стадия - основная в процессе производства стали.
Создаются условия для того чтобы удалить серу. В стали сера находится в форме сульфида - FeS, растворяемого в основном шлаке. Чем будет выше температурный режим, тем больше сульфида железа растворится в шлаке и будет взаимодействовать с оксидом кальция CaO:
Соединение, которое образуется – CaS, растворяется в шлаке, но при этом не растворяется в железе, так что сера выводится в шлак.
Третья стадия производства – раскисление стали
Происходит восстановление оксида железа, который растворен в жидком металле. Увеличение содержания кислорода в металле при плавке необходимо для осуществления окисления примесей, но в уже готовой стали кислород является вредной примесью, потому что понижает механические свойства стали.Раскисление сталь осуществляется двумя методами: диффузионным и осаждающим.
Диффузионное раскисление происходит благодаря раскислению шлака. В измельчённом виде ферросилиций, ферромарганец и алюминий переносят на поверхность шлака. Эти раскислители, восстанавливают оксид железа, и при этом сокращают содержание его в шлаке. А значит, оксид железа, который растворен в стали переходит в этот шлак. Оксиды, которые образуются при таком процессе, остаются в шлаке, а железо, уже в восстановленном виде, переходит в сталь, а в ней уменьшается содержание неметаллических включений и увеличивается ее качество.
Осаждающее раскисление происходит благодаря введению в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферросилиция, ферромарганца, алюминия), которые содержат элементы, обладающие более высоким сродством к кислороду, в сравнении с железом. В конце концов, после раскисления восстанавливается железо и создаются оксиды: SiO2, MnO, Al2O5, имеющие меньшую плотность,в сравнении со сталью, и выводятся в шлак.
В зависимости от уровня раскисления можно выплавлять такие виды стали: - кипящие – не полностью раскислены в печи. Раскисление такой стали продолжается в изложнице при затвердевании слитка, за счет взаимодействия углерода и оксида железа: FeO + C = Fe + CO.
Оксид углерода, который образовался, выводится из стали, обеспечивая удалению водорода и азота из стали, газы выводятся в виде пузырьков, приводя её к кипению. Кипящая сталь не имеет неметаллических включений, поэтому отличается высокой степенью пластичности.
- спокойные - получается при абсолютном раскислении в ковше и в печи.
- полуспокойные – отличаются промежуточной раскисленностью между кипящей и спокойной сталями. Частично раскисляется в ковше и в печи, а частично – в изложнице, за счет взаимодействия углерода и оксида желез, которые содержатся в стали.
Оборудование для производства и выплавки стали
Для производства стали на сталелитейных заводах должно быть специальное оборудование:Кислородные конверторы
- аргоновое хозяйство;
- детали конвертеров (сосуды и несущие кольца конвертера);
- фильтрация пыли;
- отсасывание конвертерного газа;
Электропечи
- (изготовление периферий);
- (изготовление энергетических опор, стальных частей для горнов, охлаждение электродов);
- загрузочные бадьи;
- скрапное отделение;
- частотные преобразователи для индукционного нагревания;
Вторичная металлургия
- обессеривание стали;
- гомогенизация стали;
- электрошлаковый переплав;
- создание вакуума;
Ковшовая технология
- оборудование LF типа;
- оборудование SL типа;
Ковшовое хозяйство
- крышки литейных и разливочных ковшей;
- литейные и разливочные ковши;
- шиберные затворы;
Оборудование непрерывной разливки стали
- разливочная поворотная станина для манипуляции с промежуточными ковшами и ковшами;
- сегменты оборудования непрерывной разливки;
- вагонетки промежуточных ковшей;
- аварийные лотки и сосуды;
- промежуточные ковши и подставки для складывания;
- пробочный механизм;
- передвижные мешалки чугуна;
- охлаждающее оборудование;
- выводные участки непрерывной разливки;
- металлургические рельсовые транспортные средства.
Производство стали сегодня осуществляется в основном из отработанных стальных изделий и передельного чугуна. Сталь представляет собой сплав железа и углерода, последнего в котором содержится от 0,1 до 2,14%. Превышение содержания углерода в сплаве приведет к тому, что он станет слишком хрупким. Суть процесса производства стали, в составе которой содержится гораздо меньшее количество углерода и примесей, по сравнению с чугуном, состоит в том, чтобы в процессе плавки перевести эти примеси в шлак и газы, подвергнуть их принудительному окислению.
Особенности процесса
Производство стали, осуществляемое в сталеплавильных печах, предполагает взаимодействие железа с кислородом, в процессе которого металл окисляется. Окислению также подвергаются углерод, фосфор, кремний и марганец, содержащиеся в передельном чугуне. Окисление данных примесей происходит за счет того, что оксид железа, образующийся в расплавленной ванне металла, отдает кислород более активным примесям, тем самым окисляя их.
Производство стали предполагает прохождение трех стадий, каждая из которых имеет свое значение. Рассмотрим их подробнее.
Расплавление породы
На данном этапе расплавляется шихта и формируется ванна из расплавленного металла, в которой железо, окисляясь, окисляет примеси, содержащиеся в чугуне (фосфор, кремний, марганец). В процессе этого этапа производства из сплава необходимо удалить фосфор, что достигается за счет содержания в шлаке расплавленного оксида кальция. При соблюдении таких условий производства фосфорный ангидрид (Р2О5) создает с оксидом железа (FeO) неустойчивое соединение, которое при взаимодействии с более сильным основанием - оксидом кальция (CaO) - распадается, и фосфорный ангидрид превращается в шлак.
Чтобы производство стали сопровождалось удалением из ванны расплавленного металла фосфора, необходима не слишком высокая температура и содержание в шлаке оксида железа. Чтобы удовлетворить эти требования, в расплав добавляют окалину и железную руду, которые и формируют в ванне расплавленного металла железистый шлак. Содержащий высокое количество фосфора шлак, формирующийся на поверхности ванны расплавленного металла, удаляется, а вместо него в расплав добавляются новые порции оксида кальция.
Кипение ванны расплавленного металла
Дальнейший процесс производства стали сопровождается кипением ванны расплавленного металла. Такой процесс активизируется с повышением температуры. Он сопровождается интенсивным окислением углерода, происходящим при поглощении тепла.
Производство стали невозможно без окисления излишков углерода, такой процесс запускают при помощи добавления в ванну расплавленного металла окалины или вдувания в нее чистого кислорода. Углерод, взаимодействуя с оксидом железа, выделяет пузырьки оксида углерода, что создает эффект кипения ванны, в процессе которого в ней снижается количество углерода, а температура стабилизируется. Кроме того, к всплывающим пузырькам оксида углерода прилипают неметаллические примеси, что способствует уменьшению их количества в расплавленном металле и приводит к значительному улучшению его качества.
На данной стадии производства из сплава также удаляется сера, присутствующая в нем в форме сульфида железа (FeS). При повышении температуры шлака сульфид железа растворяется в нем и вступает в реакцию с оксидом кальция (CaO). В результате такого взаимодействия образовывается соединение CaS, которое растворяется в шлаке, но раствориться в железе не может.
Раскисление металла
Добавление в расплавленный металл кислорода способствует не только удалению из него вредных примесей, но и увеличению содержания данного элемента в стали, что приводит к ухудшению ее качественных характеристик.
Чтобы уменьшить количество кислорода в сплаве, выплавка стали предполагает осуществление процесса раскисления, который может выполняться диффузионным и осаждающим методом.
Диффузионное раскисление предполагает введение в шлак расплавленного металла ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Такие добавки, восстанавливая оксид железа, снижают его количество в шлаке. В результате растворенный в сплаве оксид железа переходит в шлак, распадается в нем, высвобождая железо, которое возвращается в расплав, а высвобожденные оксиды остаются в шлаке.
Производство стали с осаждающим раскислением осуществляется путем введения в расплав ферросилиция, ферромарганца и алюминия. Благодаря наличию в своем составе веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, такие элементы образуют соединения с кислородом, который, отличаясь невысокой плотностью, выводится в шлак.
Регулируя уровень раскисления, можно получать кипящую сталь, которая не полностью раскислена в процессе плавки. Окончательное раскисление такой стали происходит при затвердевании слитка в изложнице, где в кристаллизующемся металле продолжается взаимодействие углерода и оксида железа. Оксид углерода, который образуется в результате такого взаимодействия, выводится из стали в виде пузырьков, также содержащих азот и водород. Полученная таким образом кипящая сталь, содержит незначительное количество металлических включений, что придает ей высокую пластичность.
Производство сталей может быть направлено на получение материалов следующего типа:
- спокойных, которые получаются, если в ковше и печи процесс раскисления полностью завершен;
- полуспокойных, которые по степени раскисления находятся между спокойными и кипящими сталями; именно такие стали раскисляются и в ковше, и в изложнице, где в них продолжается взаимодействие углерода и оксида железа.
Если производство стали предполагает введение в расплав чистых металлов или ферросплавов, то в результате получаются легированные сплавы железа с углеродом. Если в стали данной категории необходимо добавить элементы, которые имеют меньшее сродство к кислороду, чем железо (кобальт, никель, медь, молибден), то их вводят в процессе плавки, не опасаясь за то, что они окислятся. Если же легирующие элементы, которые необходимо добавить в сталь, имеют большее сродство к кислороду, чем железо (марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий), то их вводят в металл уже после его полного раскисления (на окончательном этапе плавки или в ковш).
Необходимое оборудование
Технология производства стали предполагает использование на сталелитейных заводах следующего оборудования.
Участок кислородных конверторов:
- системы обеспечения аргоном;
- сосуды конверторов и их несущие кольца;
- оборудование для фильтрации пыли;
- система для удаления конверторного газа.
Участок электропечей:
- печи индукционного типа;
- дуговые печи;
- емкости, с помощью которых выполняется загрузка;
- участок складирования металлического лома;
- преобразователи, предназначенные для обеспечения индукционного нагревания.
Участок вторичной металлургии, на котором осуществляется:
- очищение стали от серы;
- гомогенизация стали;
- электрошлаковый переплав;
- создание вакуумной среды.
Участок для реализации ковшовой технологии:
- LF-оборудование;
- SL-оборудование.
Ковшовое хозяйство, обеспечивающее производство стали, также включает в себя:
- крышки ковшей;
- ковши литейного и разливочного типа;
- шиберные затворы.
Производство стали также предполагает наличие оборудования для непрерывной разливки стали. К такому оборудованию относится:
- поворотная станина для манипуляций с разливочными ковшами;
- оборудование для осуществления непрерывной разливки;
- вагонетки, на которых транспортируются промежуточные ковши;
- лотки и сосуды, предназначенные для аварийных ситуаций;
- промежуточные ковши и площадки для складирования;
- пробочный механизм;
- мобильные мешалки для чугуна;
- оборудование для обеспечения охлаждения;
- участки, на которых выполняется непрерывная разливка;
- внутренние транспортные средства рельсового типа.
Производство стали и изготовление из нее изделий представляет собой сложный процесс, сочетающий в себе химические и технологические принципы, целый перечень специализированных операций, которые используются для получения качественного металла и различных изделий из него.
Удивительно, но сталь не считается изобретением Нового времени, о материале упоминается еще в древних трактатах.
Сталь во все времена считалась востребованным продуктом. Историю ее открытия можно условно разделить на три периода:
- древние времена , когда появились сыродутные горны;
- средние века , когда открыли переделочный процесс;
- вторая половина XIX века . Этот период связан с началом производства литой стали.
Древние времена
Первые упоминания о получении стали были известны уже за 1000 лет до нашей эры. Китайские металлурги во II ст. до н.э. получали ее из чугуна. Этот метод получил название "сто очисток". Он заключался в многоразовом интенсивном обдувании воздухом расплавленного чугуна при его передвижении. Это приводило к уменьшению части углерода в металле и приближению свойств стали. Открытие упоминается у трактате „Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.). Надо отметить, что буквально до XIX века сталь почти не использовалась, потому что ее производство было очень трудоемким и дорогим.
Когда резко возрос спрос на дешевую сталь и у ученых появилась мысль найти ответ на вопрос "каким образом получить металл со свойствами железа в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки?" - этим делом занялись серьезно. На решение данной проблемы с участием многих ученых-физиков ушли многие десятилетия.
До конца XVIII века процесс производства чугуна в мягкое ковкое железо осуществлялся исключительно в кричных горнах . Но этот способ переделки чугуна был очень трудоемок и сложен, требовал много затрат (на восстановление 1 кг железа уходило до 4 кг угля). Стал вопрос о необходимости поиска нового метода обработки чугуна.
Средние века
С 1742 года Бенджамин Хантсман начал выплавлять сталь не в открытой печи с древесным углем, а в нагреваемом тигле . Процесс получения стали получил название пудлингования . Основное отличие пудлинговой печи от кричного горна было в том, что допускалось использовать любое горючее топливо, а не только уголь. Например, можно было использовать неочищенный каменный уголь. Также пудлинговая печь не требовала принудительного вдувания, а доступа воздуха и необходимой тяги добивались с помощью высокой трубы. Открытие нового метода позволило получать более дешевую сталь, а печи Хатсмана стали использовать по всему миру.
Но не все шло так гладко. Пудлинговые печи имели существенный недостаток : для равномерного восстановления железа приходилось периодически открывать печь и перемешивать чугун, а это была задача не из легких. К тому же печь имела небольшие размеры, следовательно, за один раз обрабатывалось не много материала.
Вторая половина XIX века и современность
К середине XIX века пудлинговые печи перестали удовлетворять потребности промышленности. Многие ученые начали работать над вопросом замены технологии получения стали. Первым решить задачу удалось учёному из английского города Шеффилд. Его называют первооткрывателем "нержавеющей стали" и человеком, который заменил пудлинговую печь на доменную (сквозь массу бедного фосфором чугуна продувался сжатый воздух, который способствовал процессам окисления). В 1913 году он запатентовал самый первый вариант мартенситной стали. Именно она стала предшественником современной стали под маркой AISI 420. В 1878 г. Сидни Гилкристу Томасу удалось изобрести "томасовский процесс" для удаления фосфорных примесей из железной руды в процессе плавки. Несмотря на это, первым ученым, кто задокументировал все положительные химические свойства нержавеющей стали, принято считать французского учёного и изобретателя Леона Джиллета .
В 1912 году Эдуард Маурэр и Бенно Штраус из немецкой компании "Krupp Iron Works" запатентовали первую аустенитную сталь, которая содержит 7% никеля и 21% хрома. Через 10 лет, в 1924 году, Хартфилд (преемник Бреарли) запатентовал нержавеющую сталь под маркой 18-8 (18% хрома и 8% никеля). В это время появились кислородные конвертеры и электрические печи для выплавки стали.
В 1952 г.году в Австрии заработал первый в мире сталелитейный завод на основе ЛД-процесса, который заключался в удалении из чугуна примесей в конвертере продувкой техническим кислородом.
Менее чем за столетие нержавеющая сталь стала самым востребованным материалом промышленного производства. Сегодня существует около 100 типов нержавеющей стали с процентным содержанием хрома больше десяти. Из этого материала изготовляют корпуса самолетов и поездов, мелкую бытовую технику и приборы, медицинскую технику и т.д.
До н.э. в Европе уже повсюду производили кованое железо. Многие великолепные Греческие и Римские здания были построены из камня с применением железных инструментов в форме бабочки, покрытых свинцом. В 500 году до н. э. этруски, жившие на западном побережье Италии производили более 4,5 тысячи килограмм железа в год. Ковку железа осуществляли в кузнице, а для поддержания огня использовали древесный уголь. Огонь раздували при помощи специальных мехов, сшитых из шкур животных. Позже маленькие каменные печи разобрали, и начали массовую выплавку железа. Руду к печам доставляли на парусных судах. В связи с тем, что метод обработки руды, который использовали этруски, был малоэффективен, ее запасы быстро истощились. К тому же производство древесного угля резко сократило количество лесов на западе Италии.
Первая сталь была создана кельтами около 200 года н. э. Они резали кованое железо на тонкие полоски и складывали их в контейнер с обожженными костями и углем, после чего все это нагревали в печи в течение 10-12 часов на очень сильном огне. В результате поверхность металла обогащалась углеродом. Затем они эти полоски сваривали между собой посредством ковки и таким образом создавали ножи. Эти ножи стали предшественниками клинков, которые мы ошибочно называем дамасскими. Кельтский процесс производства стали в 1050 году был скопирован викингами и немцами. С тех пор в этих странах производили стальные клинки, метод изготовления которых, был строго засекречен. Дамасскую сталь производили в Пакистане и в виде булатных заготовок отправляли в Сирию, где изготавливали знаменитые дамасские клинки. Процесс производства дамасской стали очень сложный, поскольку ее необходимо было нагревать до очень высокой температуры, и если температуру превысить, то материал мог разрушиться.
Со временем температура плавления железа в печах становилась все выше, поэтому полученное железо, содержало 3-4% углерода. Оно было хрупким и подходило только для литья. Из него нельзя было делать ножи и детали для транспорта. К тому же к этому времени огромная часть лесов в Европе была вырублена для строительных целей и производства древесного угля. Тогда король Англии издал указ о том, что леса вырубать больше нельзя, и производителям стали пришлось придумать способ переработки угля в кокс. В Англии разработали метод лужения стали, при этом они смешивали расплавленное железо, с силикатом железа и оксидом железа. Силикат железа является одним из компонентов кованого железа.
Печи, работающие на угле, назвались кричным горном. Один работник должен был помешивать полученную смесь, в результате чего образовывался диоксид углерода, поэтому температура плавления железа становилась выше, и начинался процесс лужения. Внутрь помещались крупные куски весом от 90 кг до 130 кг. Другой работник с помощью пары больших щипцов брал эти куски и помещал под пресс, чтоб из них выдавить силикат железа. После пресса куски помещали в прокатный стан, где из них формировались полоски кричного железа. Эти полоски нарезали на короткие кусочки и соединяли между собой, после чего помещали их в углубление, заполненное углеродом, и нагревали до температуры сварки. После этого полоски кричного железа снова отправляли в прокатный стан и получали сортовое железо. Этот способ использовали не только в Европе, но на востоке Соединенных Штатов.
Чтоб получить сталь, тонкий сортовой прокат помещали в углубление, заполненное углеродом, полученным в результате сожжения костей, и нагревали при высокой температуре в течение нескольких дней. Углерод поглощался железом, и в результате получалась пузырчатая сталь. Пузырчатой называли цементную сталь или томленку. Это понятие появилось благодаря внешнему виду полосок, извлеченных из углеродной ямы, которые были покрыты пузырями. После этого полоски складывали вместе и ковали, затем снова складывали и ковали, таким способом получали сталь высокого качества.
Англия нуждалась в высококачественной стали, чтоб создать флот, который смог бы пресечь океан. Один предприимчивый англичанин заметил, что стеклодувы в своих печах могут получать очень высокую температуру. Он взял полоски пузырчатой стали и поместил их в керамический тигель, после чего поставил емкость в печь стеклодувов. В результате сталь расплавилась, силикат железа испарился, а углерод остался, и получилась сталь очень высокого качества. На тот момент за процессом наблюдало много людей, и он не смог сохранить его в секрете. Таким способом получали литую сталь, из которой в США было сделано большое количество старых инструментов, с маркировкой «литая сталь». Многие ошибочно считают их литыми, что следует из названия.
Новый импульс производство стали получило, когда был изобретен Бессемеровский процесс производства стали. Такую сталь применяли для строительства крупных объектов, таких как плотина Гранд-Кули, потому как она не подвержена действию коррозии. В начале 20 века приступили к производству различных сплавов. Тогда в газовых мартеновых печах к железу стали добавлять марганец, хром, никель и другие элементы. Во время Второй мировой войны, когда потребность в металле возросла, производство сплавов получило новый мощный толчок. С тех пор был сделан огромный шаг в производстве и совершенствовании различных сталей.
Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно ковать, прокатывать, она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается резанием. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной жидкотекучестью для получения отливок.
Мягкая сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладает высокой пластичностью, способностью хорошо свариваться, легко куется и прокатывается в горячем и холодном состояниях. Поэтому такая сталь является основным материалом для современного машиностроения, транспорта и других отраслей народного хозяйства страны.
В древности мягкую сталь (техническое железо) получали непосредственно из руд в тестообразном состоянии. Позднее научились получать сталь из чугуна в кирпичном горне, также в тестообразном состоянии. В 1740 г. в Англии стал применяться способ получения жидкой стали в тиглях, задолго до того известный на Востоке. С 1784 г. начали применять пудлингование - получение стали в тестообразном состоянии из чугуна окислением его примесей на поду пламенной печи. Все эти способы были мало производительны, требовали больших затрат топлива и труда.
Бурный рост промышленности и железнодорожного транспорта во второй половине XIX в. потребовал громадного количества стали, а старые способы ее получения не могли удовлетворить эту потребность. Были созданы новые, более производительные способы плавки стали. В 1856 г. появился бессемеровский способ (названный по имени его изобретателя Г. Бессемера), а в 1878 г. - томасовский способ (предложенный С. Томасом) получения литой стали из жидкого чугуна в конвертерах. В 1857 г. крупный русский металлург П. М. Обухов получил привилегию на изобретенный им способ производства орудийной стали путем сплавления чугуна и мягкой стали. Орудийная сталь П. М. Обухова по качеству превосходила лучшие заграничные стали. С 1864 г. применяется мартеновский способ получения стали в пламенных печах (названный по имени его изобретателя П. Мартена), а с 1899 г. - способ производства стали в электропечах, основанный на применении явления электрической дуги, открытой в 1802 г. акад. В. В. Петровым.
Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора . Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (окись углерода СО), который улетучивается. Другие примеси переводятся в окислы и другие соединения, нерастворимые или мало растворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак. При сгорании марганец и кремний образуют нерастворимые в металле окислы MnO и SiO 2 . При сгорании фосфора образуется его окись Р 2 О 5 , которая хорошо растворяется в металле. Чтобы удалить фосфор из металла, наводят шлак с избытком извести (состоящей преимущественно из СаО), которая и связывает Р2О5 в прочное соединение (СаО)4 Р2О5, нерастворимое в металле.
Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS; ее удаляют из металла с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимое в металле соединение MnS или нерастворимое соединение CaS.
В настоящее время в металлургии страны применяются следующие способы получения стали: конвертерный, мартеновский и электроплавка.
Электроплавка применяется, главным образом, для получения высококачественной стали и за последние годы усиленно развивается.
Технический прогресс в сталеплавильном производстве характеризуется интенсивным наращиванием мощностей плавильных агрегатов, широким применением кислородно-конверторного процесса и непрерывной разливки стали, повышением качества металла.
Сталь – это сплав железа с углеродом. Сталь в быту иногда называют железом. Но железо – это только исходный материал для получения стали.
В VII в. до нашей эры кельты умели выплавлять железо из железной руды. Для нагревания руды они использовали пламя древесного угля в открытой печи. В результате получали чугун, содержащий большое количество углерода. Но чугун невозможно ковать, так как он хрупкий. А если уменьшить содержание углерода в сплаве, то получится сталь. Ведь основное отличие чугуна и стали – процентное содержание углерода. В стали углерода менее 2,14%, а в чугуне его содержится значительно больше. Для улучшения качества стали в неё добавляют легирующие элементы. Легированной сталью называют сплав железа, углерода и легирующих элементов, в котором железа содержится не менее 45%.
История изобретения стали
Кричный передел
Кричный горн
Чтобы улучшить качество чугуна, из него удаляли избыточное количество углерода методом кричного передела . Этот процесс происходил в кричном горне – открытой печи, в которой чушки чугуна помещали прямо на горящий древесный уголь. Расплавленный чугун очищался от излишков углерода вдуванием горячего воздуха. Далее он скапливался на поду горна. Окислительное действие железистого шлака приводило к дополнительному обезуглероживанию. Образовывалась кашица, которая называлась крица . Далее крица подвергалась ковке, чтобы выжать шлак. Кричный передел возник в XIV в. В XVIII в. его заменил метод пудлингования.
Пудлингование
Пудлинговая печь
Шагом вперёд в технологии получения стали стало пудлингование . В процессе пудлингования расплавленный чугун очищался от углерода. Технологию процесса пудлингования разработал английский металлург Генри Корт в 1784 г. В отличие от метода кричного передела, в этом процессе чугун расплавляли в специальной пудлинговой печи, где чугун не контактировал с топливом. Расплавленный металл перемешивали специальными штангами, на которые налипали частицы металла. Постепенно формировалась тестоподобная крица. Полученную крицу проковывали, чтобы получить необходимую деталь. Основным отличием пудлинговой печи от кричного горна была возможность заменить дорогой древесный уголь другими видами топлива.
Бессемеровский способ получения стали
Конвертер Бессемера
Во второй половине XIX в. машиностроение начало развиваться быстрыми темпами. Строились железные дороги, вместо деревянных парусных судов появились стальные паровые суда. Всё это требовало большого количества металла. Спрос на сталь возрастал. А получение стали методом пудлингования было очень медленным, трудоёмким и дорогим. Особенно узким местом в получении стали была ковка. Многие учёные думали над тем, как получить жидкую сталь, чтобы использовать её для отливки.
Эту задачу решил английский инженер Генри Бессемер в 1854 г.
В те времена дальнобойные орудия изготавливались из чугуна. Так как они должны были выдерживать большое количество выстрелов, то и качество чугуна должно было быть высоким. Бессемер работал над улучшением качества чугуна. Он обнаружил, что во время плавки чугуна восстановленное железо раньше всего появляется у воздуходувных труб. Бессемер попытался получить сталь, продувая воздух через расплавленный чугун. И вскоре он получил сталь отличного качества. Далее Бессемер понял, что не нужно вводить в технологический процесс тепло извне. Чугун содержит горючие примеси: углерод, кремний, марганец. При горении они повышают температуру плавки. В результате получается жидкая сталь.
В 1856 г. конвертер для получения жидкой стали был продемонстрирован Бессемером.
Как же устроен конвертер Бессемера?
Чугун, выходящий из доменной печи, заливается в конвертер – резервуар, имеющий на дне отверстия для подвода воздуха. Конвертер закрепляется на подвижных опорах, поэтому он легко переводится из горизонтального в вертикальное положение после того, как будет наполнен. Через отверстия в дне вдувается воздух. Кислород воздуха соединяется с углеродом, находящимся в чугуне. Конвертер переводится в горизонтальное положение, когда процесс закончится и в конвертере образуется железо. После этого в железо добавляют примеси, содержащие углерод. Происходит дальнейшее окисление железа. В результате образуется сталь с низким процентом углерода. Этот процесс протекает очень быстро. В течение 10 минут можно превратить в сталь 10 т чугуна.
Метод Бессемера позволил производить сталь в неограниченных объёмах.
