Сталеплавильное производство

производство стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. С. п. - второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии (См. Чёрная металлургия); другие главные звенья - получение чугуна в доменных печах (см. Доменное производство) и прокатка стальных слитков или заготовок (см. Прокатное производство). С. п. включает 2 основных технологических процесса - выплавку и разливку стали.

В современной металлургии (См. Металлургия) важнейшие способы выплавки стали - Кислородно-конвертерный процесс (см. также Конвертерное производство), мартеновский процесс (см. Мартеновское производство) и электросталеплавильный процесс (см. Электросталеплавильное производство .) Соотношение между этими видами С. п. меняется: если в начале 50-х гг. 20 в. в мартеновских печах выплавлялось около 80% производимой в мире стали, то уже к середине 70-х гг. главенствующее положение занял кислородно-конвертерный процесс, на долю которого приходится более половины мировой выплавки стали.

Полученную в сталеплавильном агрегате сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы - изложницы (См. Изложница), либо направляют на установки непрерывной разливки стали (См. Непрерывная разливка стали) (машины непрерывного литья); лишь около 2% всей производимой стали идёт на фасонное литьё. В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Непрерывный способ разливки стали имеет неоспоримые преимущества перед разливкой в изложницы. Однако пока преобладающее количество металла разливается в изложницы. Разливка стали - ответственный этап С. п. Технология и организация разливки в значительной мере определяют качество готового металла и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.

В кислородно-конвертерном производстве преобладают конвертеры ёмкостью 100-350 т . Сортамент стали, получаемой этим способом, непрерывно расширяется, причём по качеству кислородно-конвертерная легированная сталь не уступает мартеновской стали и электростали соответствующих марок. Выплавка некоторых низколегированных сталей в кислородных конвертерах считается наиболее целесообразной не только по экономическим причинам, но и с точки зрения качества металла. Так, сталь, предназначенную для холодной деформации (особенно для производства автолиста), на металлургических заводах всего мира выплавляют главным образом в кислородных конвертерах. Осваивается выплавка высоколегированной стали. Главные направления развития кислородно-конвертерного процесса: интенсификация плавки (в первую очередь продувки), повышение стойкости футеровки, применение современных средств контроля и управления с использованием ЭВМ, разработка новых технологических вариантов. Большие перспективы открывает перед кислородно-конвертерным процессом сочетание его с методами внепечного рафинирования (См. Рафинирование) металла.

Несмотря на резкое сокращение доли мартеновского металла в общем объёме производства стали, роль мартеновского процесса в чёрной металлургии многих стран ещё достаточно высока. Использование кислорода, природного газа, огнеупоров высокого качества позволяет значительно интенсифицировать мартеновский процесс. Вместе с тем строительство новых мартеновских печей повсеместно прекращено. Перспективной считается перестройка действующих мартеновских печей на высокопроизводительные двухванные печи (См. Двухванная печь).

Во 2-й половине 20 в. наблюдается заметное развитие электросталеплавильного производства, обусловленное рядом его преимуществ перед др. способами получения стали. В СССР действуют 200-т дуговые печи (См. Дуговая печь); проектируются печи номинальной ёмкостью 400 т . В США находится в эксплуатации самая крупная в мире 360-т электропечь (1975). Ведутся работы по созданию 500-600-т электропечей (с шестью электродами). Важная тенденция электросталеплавильного производства - значительное увеличение удельной мощности электропечей (с 250-300 до 500-600 ква/т и более). На металлургических предприятиях некоторых стран внедрён предварительный подогрев шихты, позволяющий сократить продолжительность плавки, снизить расход электроэнергии и электродов. Технико-экономические показатели современных дуговых печей свидетельствуют о целесообразности их использования для выплавки не только легированной, но и рядовой стали. Так, в электросталеплавильных цехах США доля рядового металла достигает 70%, в ФРГ - 50%. Положительное влияние на развитие электрометаллургии стали окажет широкое промышленное освоение способов прямого получения железа (См. Прямое получение железа), позволяющих производить высококачественное сырьё для электропечей. Использование металлизованной шихты для электроплавки (например, металлизованных окатышей (См. Окатыши)) позволит сократить капитальные вложения на сооружение новых электросталеплавильных цехов и повысить производительность дуговых печей.

Одно из перспективных направлений развития С. п. - повышение качества стали путём внепечного рафинирования. Наибольшее промышленное значение имеют следующие методы: продувка металла в ковше или специальном агрегате инертными газами или окислительными смесями; вакуумная обработка стали (см. Дегазация стали); обработка стали синтетическими шлаками.

Примерно в середине 60-х гг. начала интенсивно развиваться т. н. спецэлектрометаллургия, которая включает различные виды рафинирующих переплавов заготовки, полученной в обычных сталеплавильных агрегатах (чаще всего в дуговых или индукционных печах). К ним относятся плавка в дуговых вакуумных печах (См. Дуговая вакуумная печь) и в индукционных вакуумных печах, Электрошлаковый переплав , Электроннолучевая плавка , плазменная плавка (см. Плазменная металлургия). В результате рафинирующего переплава исходный металл эффективно очищается от неметаллических включений и др. нежелательных примесей, повышаются плотность и однородность его структуры, улучшаются многие свойства стали.

В области разливки стали наблюдается постоянное увеличение доли непрерывно-литого металла. В середине 70-х гг. в мире работает свыше 500 машин непрерывного литья (МНЛ) стали. Крупнейшая в мире МНЛ, производительностью 1,9 млн. т стали в год, действует в США (1975). Наиболее широкое распространение получают МНЛ радиального типа. Выход готового продукта на лучших МНЛ мира достигает 96-99%. Как при непрерывном литье, так и при разливке стали в изложницы высокие технико-экономические результаты даёт замена стопорных устройств бесстопорными (шиберными) затворами - надёжными и безопасными в работе, позволяющими точно регулировать скорость разливки металла. Применение экзотермических шлакообразующих смесей позволяет улучшить поверхность получаемых слитков. Благодаря использованию теплоизолирующих и экзотермических прибыльных надставок (См. Прибыльная надставка) удаётся значительно сократить потери металла.

К тенденциям С. п., как и чёрной металлургии в целом, следует отнести дальнейшую концентрацию производства, повышение степени непрерывности всего технологического цикла, специализацию отдельных цехов и предприятий, что создаёт благоприятные условия для снижения себестоимости и повышения качества стали, для достижения высокой степени механизации и автоматизации всего металлургического процесса, внедрения электронно-вычислительных машин и автоматизированных систем управления. Большое значение для развития С. п. имеют ведущиеся в ряде стран работы по созданию непрерывного сталеплавильного процесса и агрегата длящего проведения (см. Сталеплавильный агрегат непрерывного действия).

Мировое производство стали в 1974 превысило 700 млн. т , причём 136 млн. т было выплавлено в СССР. В промышленно развитых странах на душу населения приходится 400-600 кг стали (в СССР более 500 кг ). По некоторым прогнозам, к 2000 мировое производство важнейшего металла современности может достичь 2 млрд. т .

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1-2, М., 1964; Явойский В. И., Теория процессов производства стали, 2 изд., М., 1967; Лемпицкий В. В., Голиков И. Н., Склокин Н. Ф., Прогрессивные способы повышения качества стали, М., 1968; Перспективы развития технологии черной металлургии, М., 1973; Электрометаллургия стали и ферросплавов, М., 1974; Калинников Е. С., Черная металлургия: реальность и тенденции, М., 1975; Баптизманский В. И., Теория кислородно-конверторного процесса, М., 1975.

С. И. Венецкий.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Металлургическая промышленность - отрасль тяжелой промышленности, производящая разнообразные металлы. Она включает две отрасли: черную и цветную металлургию.

Черная металлургия

Черная металлургия - одна из главных базовых отраслей промышленности. Значение ее определяется прежде всего тем, что стальной прокат является главным конструкционным материалом.

Особенности размещения черной металлургии изменяются со временем. Так география черной металлургии исторически сложилась под влиянием двух типов ориентации: на каменноугольные бассейны (так возникли главные металлургические базы в США, Европе, России, Украине, Китае) и на железнорудные бассейны. Но в эпоху научно-технической революции происходит общее ослабление прежней топливно-сырьевой ориентации и усиление ориентации на грузопотоки коксующегося каменного угля и железной руды (в результате черная металлургия Японии, стран Западной Европы начали тяготеть к морским портам) и ориентации на потребителя. Поэтому наблюдается уменьшение размеров строящихся комбинатов и более свободное их размещение.

Оценка общегеологических запасов железной руды позволяет говорить о том, что наиболее богаты железной рудой страны СНГ, на втором месте Зарубежная Азия, где особенно выделяются ресурсы Китая и Индии, на третьем - Латинская Америка с огромными запасами Бразилии, на четвертом - Африка, где большими запасами обладают ЮАР, Алжир, Ливия, Мавритания, Либерия, на пятом - Северная Америка, на шестом - Австралия. Мировое производство железной руды в 1990 году впервые достигло уровня в 1 млрд т, но при этом суммарная добыча только стран СНГ, Китая, Бразилии, Австралии составляет 2/3 общемировой. Причем, если 30 - 40 лет назад почти вся добыча была сосредоточена в экономически развитых странах, то сейчас отрасль быстрее растет в развивающихся странах. Бразилия и Республика Корея, например, стали обгонять по выплавке стали Великобританию и Францию.

Главными странами - экспортерами железной руды являются Бразилия, Австралия, Индия, причем на первые две из них приходится 1/2 всего мирового экспорта.

Основные импортеры железной руды - страны ЕС, Япония, Республика Корея.

Главными странами-производителями стали в мире сейчас являются Япония, Россия, США, Китай, Украина, Германия.

Цветная металлургия

Цветная металлургия - по размерам производства уступает черной примерно в 20 раз. Она также относится к числу старых отраслей промышленности, и с началом научно-технической революции испытала большое обновление, прежде всего в структуре производства. Так, если до второй мировой войны преобладала выплавка тяжелых цветных металлов - меди, свинца, цинка, олова, то в 60-70-е годы на первое место выдвинулся алюминий, а также стало расширяться производство «металлов XX века» - кобальта, титана, лития, бериллия и др. Сейчас цветная металлургия обеспечивает потребности примерно в 70 различных металлах.

Размещение предприятий отрасли складывается из того, что металлургия тяжелых, цветных, легирующих и благородных металлов, в руде которых обычно низке содержание полезного компонента, обычно тяготеет к странам и районам их добычи. Этим, в частности, объясняется то, что в ряде стран Азии, Африки, Латинской Америки отрасль возникла еще в колониальный период. Правда в этих странах сложились, в основном, нижние стадии производственного процесса, а верхние - в США, Западной Европе, Японии.

В середине XX века все большая ориентация стран Запада на сырье из развивающихся стран привела к перемещению предприятий к морским побережьям. После кризисов 70-х годов выплавка цветных металлов в странах Запада стала сокращаться, и большую роль стало играть вторичное сырье. Усилилась потребительская ориентация отрасли. Новые производственные мощности в сфере этих экологически «грязных производств» в основном возникают в развивающихся странах. Между производством и потреблением конечной продукции сохраняется территориальный разрыв, т. к. основная часть тяжелых цветных металлов, производимых в странах Азии, Африки, Латинской Америки потребляется в странах Запада.

Для подтверждения сказанного можно отметить, например, соотношение развитых и развивающихся стран в запасах медной руды составляет 30:70, в производстве медных концентратов 40:60, а в потреблении рафинированной меди: 85:15. По размерам добычи меди выделяются США. Канада, Чили, Замбия, Перу, Австралия. Главные страны экспортеры - рафинированной меди - Чили, Замбия, Заир, Перу, Филиппины.

Первая 10 стран по выплавке рафинированной меди - США, Чили, Япония, Канада, Замбия, Германия, Бельгия, Австралия, Перу, Респубпика Корея.

В отличие от тяжелых, руды легких цветных металлов, прежде всего алюминия, по содержанию полезного компонента напоминают железную руду и вполне транспортабельны, поэтому вполне рентабельно перевозить их на далекие расстояния. На экспорт идет 1/3 бокситов, добываемых в мире, а среднее расстояние их морских перевозок превышает 7 тыс. км. Это объясняется тем, что около 85% мировых запасов бокситов связаны своим происхождением с распространенной в тропиках и субтропиках корой выветривания. Вот почему запасы бокситов очень невелики или вообще отсутствуют в большинстве стран Западной Европы, Японии, Канаде, а так же в США. Всем им приходится ориентироваться прежде всего на импортное сырье.

По добыче бокситов выделяются Австралия, Гвинея, Ямайка, Бразилия. Китай, Индия, Суринам, причем первая «тройка» дает 70% всей добычи.

По выплавке алюминия лидируют США, Япония, Россия, Германия, Канада, Норвегия, Франция, Италия, Великобритания, Австралия.

Как черная, так и цветная металлургия сильно загрязняют окружающую среду, поэтому в последние десятилетия наметилась тенденция к переносу предприятий в развивающиеся страны, в связи с усилением природоохранительной политики в экономически развитых странах Запада.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор , амортизаторов , силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле , сильфонов , растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью .

История стали

Самые ранние известные образцы стали были обнаружены при раскопках в Анатолии (Турция). Им около 3800 лет, они датируются 1800 годом до нашей эры. Высокой репутацией в древности пользовалась индийская сталь. От индийской стали происходит средневековый булат , широко известный в Средней Азии и Восточной Европе . Сталь научились производить в конце эпохи Античности и в Западной Европе. По определённым показателям (упругость) именно из стали изготавливался испанский копис . Сталь позволила сделать акцент с колющего момента на режущий и перейти к сабле (через палаш). В эпоху Средневековья сталь широко применялась для изготовления холодного оружия (Романский меч , Мечи Ульфберта). На Ближнем Востоке была известна дамасская сталь , из которой ковался шамшир . В средневековой Японии из стали-Тамахаганэ изготавливались знаменитые катана , вакидзаси и танто . Существует версия, что японские мечи XI-XIII веков создавались из легированной стали с примесью молибдена . В Европе сталь позволила удлинить мечи, которые впоследствии эволюционировали в шпагу (в XV веке) и рапиру

Технологию литой стали изобретает английский инженер Гентсман , однако в континентальную Европу она проникает лишь в начале XIX века (благодаря Круппу). Нарезная артиллерия с 1854 года изготовлялась из стали (Пушка Армстронга). В XX веке из стали начали изготовлять танковую броню . В армии Кайзеровской Германии времен Первой мировой войны появились стальные шлемы (Штальхельм)

Классификация сталей

Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.

По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные ; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6-2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные - до 4 % легирующих элементов, среднелегированные - до 11 % легирующих элементов и высоколегированные - свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений . Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную , ферритную , мартенситную , бейнитную и перлитную . Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

• Предел прочности стали при растяжении:

Способ производства

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей - фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конвертерный, мартеновский и электротермический.

Технология производства стали

Передельный или литейный чугун в расплавленном или твёрдом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы.

Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи.

Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии и даже переплавить добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца - Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащённый кислородом (томасовский и бессемеровский процессы).

Подовые процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твёрдая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твёрдый передельный чугун). Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством.

Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали).

Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным, или его днище может быть отъёмным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу.

Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на «нелегированные стали» и «легированные стали» (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют кислородом, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах - конвертерах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Ёмкость конвертера 50-60 . Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO 2 , имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO 3 ·CaCO 3 . Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конвертерный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 °C быстро поднимается до 1500-1600° С. Выгорание 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200 °C. Около 1500 °C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

• Si + O 2 = SiO 2
• 2 C + O 2 = 2 CO
• 2 Fe + O 2 = 2 FeO

Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO 2 и в виде силиката железа FeSiO 3 переходит в шлак:

• FeO + SiO 2 = FeSiO 3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P 2 O 5 при избытке SiO 2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO 2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конвертере идут быстро - в течение 10-20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащённым кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, в виде пузырьков газа поднимается вверх, сгорая над поверхностью расплава с образованием над горловиной конвертера факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворённого монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей - ферросилиция, ферромарганца или алюминия:

• 2 FeO + Si = 2 Fe + SiO 2
• FeO + Mn = Fe + MnO
• 3 FeO + 2Al = 3 Fe + Al 2 O 3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO 2 и образует силикат марганца MnSiO 3 , который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространён, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьёзным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п.

В настоящее время этот процесс является устаревшим.

Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (более 2 %). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P 2 O 5 , который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:

• 4 P + 5 O 2 = 2 P 2 O 5
• P 2 O 5 + 3 CaO = Ca 3 (PO 4) 2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертера поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции

• FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п.

В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P 2 O 5 . Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.

Метод является устаревшим и в настоящее время практически вытеснен из производства.

Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конвертерного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счёт кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д.

Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600-1700 °C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счёт избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конвертере, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака - за счёт оксидов железа:

• 4 Fe 2 O 3 + 6 Si = 8 Fe + 6 SiO 2
• 2 Fe 2 O 3 + 6 Mn = 4 Fe + 6 MnO
• Fe 2 O 3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO 
• 5 Fe 2 O 3 + 2 P = 10 FeO + P 2 O 5
• FeO + С = Fe + CO 

Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

• MnO + SiO 2 = MnSiO 3
• 3 CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4) 2
• FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как и конвертеры, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертера, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрев печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.

В настоящее время работающие мартеновские печи сохранились только в России, Украине и Индии.

Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конвертерным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи - не ниже 1650 °C. Это позволяет проводить плавку стали на основных шлаках (которые трудно плавятся), при которой полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами - молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии - до 800 кВт·ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной ёмкости - от 0,5 до 180 т. Футеровку печи выполняют обычно из периклазо-углеродистого огнеупора, а свод печи из магнезито-хромитового огнеупора. Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определённой пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс . Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.

Свойства стали

Физические свойства

• плотность ρ ≈ 7,86 г/см 3 ; коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10 −6 K −1 ;
• коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K);
• модуль Юнга E = 210 ГПа;
• модуль сдвига G = 80 ГПа;
• коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30;
• удельное электросопротивление (20 °C, 0,37-0,42 % углерода) = 1,71·10 −7 Ом·м.

Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих:

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод - графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей - повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.

Обработка стали

Виды термообработки

Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путём деформирования (давления): ковать, вальцевать, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки, сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки:

• отжиг;
• нормализация;
• закалка;
• отпуск.

Чем богаче сталь на углерод, тем она твёрже после закалки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддаётся.

Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путём добавления различных химических веществ до определённой глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространённых целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твёрдости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышение износостойкости, повышение устойчивости к усталости и улучшение коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

• Цементация (C) увеличивает твёрдость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.
• Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твёрдость и износостойкость стали.
• Цианирование и нитроцементация (N + C) - это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации - смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН 4 и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.
• Сульфатирование (S) - насыщение поверхности серой улучшает приработку трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.

Разновидности некоторых сталей

Производство стали

Производство стали в мире

Мировым лидером в производстве стали является Китай, доля которого по итогам 2017 года составила 49 %.

Всего в мире в 2015 году было выплавлено 1 620 млн тонн стали, в 2017 году объём мирового производства составил 1 691,2 млн тонн .

В десятку стран-лидеров по выплавке стали вошли :

Производство стали по континентам и регионам распределяется следующим образом:

2008 год

В 2008 году в мире было произведено 1 млрд 329,7 млн тонн стали, что на 1,2 % меньше, чем в 2007 г. Это стало первым сокращением годового объёма производства за последние 11 лет.

2009 год

По итогам первых шести месяцев 2009 года производство стали в 66 странах мира, доля которых в мировой сталелитейной отрасли составляет не менее 98 %, сократилось по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года на 21,3 % - с 698,2 млн тонн до 549,3 млн тонн (статистика World Steel Association).

Китай увеличил производство стали относительно аналогичного периода 2008 года на 1,2 % - до 266,6 млн тонн, в Индии производство стали возросло на 1,3 % - до 27,6 млн тонн.

В США производство стали упало на 51,5 %, в Японии - на 40,7 %, в Южной Корее - на 17,3 %, в Германии - на 43,5 %, в Италии - на 42,8 %, во Франции - на 41,5 %, в Великобритании - на 41,8 %, в Бразилии - на 39,5 %, в России - на 30,2 %, в Украине - на 38,8 %.

В июне 2009 г. производство стали в мире составило 99,8 млн тонн, что на 4,1 % больше, чем в мае 2009 года.

Рейтинг ведущих мировых производителей стали

По данным Metal Bulletin’s Top Steelmakers of 2007 производство стали по компаниям производителям составило (в млн тонн):

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.