FeO Fe + O.
Растворённый кислород окисляет примеси:
Si + O SiO2; Mn + O MnO; C + O CO.
Благодаря присутствию в шлаке значительного количества CaO и FeO и интенсивному перемешиванию металла и шлака происходит удаление фосфора:
+ FeO + CaO (CaO)4P2O5 + Fe.
При повышенном (до 0,3%) содержании фосфора в металле, необходимы промежуточный слив и наведение шлака.
Удаление серы происходит по реакции: FeS + CaO CaS + FeO.
Высокое содержание в шлаке FeO (до 7…20%) затрудняет протекание реакции удаления серы. Поэтому применяют чугун с ограниченным содержанием серы (до 0,07%).
Подачу кислорода заканчивают в тот момент, когда содержание углерода в металле соответствует заданному содержанию в стали.
Раскисление стали происходит при выпуске её из конвертера в ковш. Раскисление осуществляют сначала ферромарганцем, затем ферросилицием и алюминием. Затем из конвертера выливают шлак.
В кислородном конвертере трудно выплавить легированные стали, поэтому, как правило, выплавляют низколегированные стали, содержащие до 2…3% легирующих элементов.
Получение легированных сталей с разнообразными свойствами не обеспечивается кислородно-конвертерным способом. Кроме того, при этом требуются чугуны с ограниченным химическим составом. Эти задачи позволяет решить мартеновский способ производства стали.
Мартеновская печь - это пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет плавильное пространство, ограниченное снизу подиной, сверху сводом, а с боков - передней и задней стенками. В передней стенке печи находятся загрузочные окна для подачи шихтовых материалов, в задней - отверстие для выпуска стали. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи , служащие для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива в мартеновских печах используют природный газ или мазут. Для подогрева воздуха при работе на газообразном топливе печь имеет два регенератора.
Нагретый в регенераторе воздух (до 1000…1100 0С) поступает в головку печи, где смешивается с топливом; смесь сгорает, образуя на выходе из головки факел, направленный на шихту. Температура факела достигает 1750…1800 0С. Факел имеет окислительный характер, что создает условия для окисления примесей шихты на протяжении всей плавки. Отходящие газы направляются через второй регенератор, нагревая его насадку, затем выводятся через дымовую трубу.
Ёмкость печей от 20 до 900 т. Футеровка печей может быть основной (магнезитовый кирпич) и кислой (динасовый кирпич). Для уменьшения взаимодействия шлака с футеровкой печи при кислом процессе плавки футеровка выполняется кислой, а при основном - основной.
Разновидности мартеновского процесса
В зависимости от переплавляемых материалов применяют следующие виды мартеновского процесса:
Скрап-процесс, при котором используют твердую шихту (основная часть - стальной лом; 25…46% - передельный чугун).
Скрап-рудный процесс, при котором основная часть шихты - жидкий чугун (55…75%), остальное - стальной лом (скрап) и железная руда.
Большое распространение получил скрап-рудный процесс, как более экономичный. При этом наибольшее количество стали получают в печах с основной футеровкой, позволяющей использовать шихтовые материалы с повышенным содержанием серы и фосфора.
Скрап-рудный основный процесс происходит следующим образом.
Завалка шихты. Вначале загружают железную руду и известняк. После хорошего прогрева загружают стальной скрап.
Прогрев шихты проводят при дополнительной подаче кислорода в ванну печи и повышенных тепловых нагрузках.
Заливка жидкого чугуна производится в конце периода прогрева, когда оплавится твердая часть шихты.
Плавление шихты. В этот период за счет окислов железа руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна (C, Si, Mn, P, S). В этот период плавления полностью окисляется Si, почти полностью Mn и большая часть С, а также интенсивно переходят в шлак P и S.
Период кипения ванны наступает по окончании расплавления шихты. Для этого в печь загружают железную руду, которая увеличивает содержание FeO и вызывает реакцию окисления углерода:
+FeО Fe +CO
Образующаяся окись углерода выделяется из металла, создавая впечатление его кипения, что способствует выделению неметаллических включений, перемешиванию металла и вспениванию шлака. Эта реакция является главной в мартеновской плавке, т.к. способствует обезуглероживанию металла, выравниванию его температуры, частичному удалению газов, неметаллических включений, серы и фосфора. Процесс кипения считают окончившимся, если содержание С соответствует заданному, а содержание S и P - минимально.
Раскисление стали проводят в два этапа: 1) В период кипения, путем прекращения подачи руды в печь, вследствие чего раскисление происходит за счет углерода металла и введения в ванну ферросплавов: ферромарганца и ферросилиция. Mn и Si взаимодействуют с растворенным в металле кислородом, в результате чего реакция окисления углерода прекращается. 2) При выпуске стали из печи в ковше проводят ее окончательное раскисление путем введения алюминия и ферросилиция.
В мартеновской печи можно выплавлять легированные стали. При этом легко окисляемые элементы вводят в ванну после раскисления, перед выпуском металла из печи.
Общая продолжительность плавки зависит от емкости печи и условий производства (для печей ёмкостью 200 т - 8…9 часов).
Кислый мартеновский процесс состоит из тех периодов, что и основный. Особенностью является то, что при этом используют металлическую шихту с низким содержанием S и P (не более 0,025%), т.к. в печи с кислой футеровкой нельзя навести основный шлак, способствующий их удалению. Железную руду в печь не загружают во избежание ее взаимодействия с подиной. Шлак имеет повышенную вязкость, что уменьшает выгорание углерода. Кислый процесс дороже основного вследствие большей стоимости исходных материалов, большей длительности плавки (процесса кипения), однако т.к. при этом применяются более чистые по S и P шихтовые материалы, кислые стали имеют более высокие показатели вязкости и пластичности. Поэтому кислый мартеновский процесс используют для получения качественных сталей, используемых для ответственных деталей.
Электропечь - наиболее совершенный агрегат для производства стали. В них выплавляются качественные легированные стали. Это объясняется тем, что здесь можно точно регулировать температуру металла, создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу или вакуум, более полно раскислить металл.
Электропечи бывают дуговыми и индукционными.
В дуговых печах в качестве источника тепла используют электрическую дугу, возникающую между графитовыми электродами и металлической шихтой.
Печь загружают при снятом своде. Шихта состоит из скрапа углеродистой или легированной стали, чугунного лома и флюса. Флюс - обожженная известь с добавкой плавикового шпата. После загрузки начинается процесс плавки, при этом различают окислительный и восстановительный период плавки.
В окислительный период шихта расплавляется, при этом окисляются Si, Mn, P избыточный С, частично Fe и другие элементы, образуется первичный шлак. Фосфор из металла удаляется, когда он еще не сильно разогрелся. Образовавшийся фосфористый шлак удаляется. Наводят новый шлак (известь + железная руда). Наведение шлака повторяют 2…3 раза, что позволяет уменьшить содержание фосфора до 0,01% и одновременно уменьшается содержание углерода.
Восстановительный период включает раскисление металла, удаление серы и доведение химического состава до заданного. В печь подают ферромарганец в количестве, обеспечивающем заданное содержание его в стали, производят науглероживание, если выплавляют высокоуглеродистые стали (до 1,5%). Раскисление проводят осаждением (ферромарганцем и ферросилицием) и диффузионным методом (измельчённой раскислительной смесью: известь, плавиковый шпат, молотый кокс и ферросилиций).
Когда достигнуты заданный состав и температура металла, выполняют конечное раскисление стали алюминием и силикокальцием, после чего металл сливают в ковш.
При выплавке легированных сталей Ni, Мo вводят в период плавления шихты или в окислительный период, Cr - в восстановительный, Si, V, Ti - перед выпуском металла в ковш.
Индукционные печи отличаются от дуговых способом подвода энергии к расплавленному металлу.
Основным элементом печи служит охлаждаемый водой индуктор, на который подается ток высокой частоты (500…2500 Гц). При этом вокруг индуктора создается переменное магнитное поле. Магнитный поток наводит в загруженной металлической шихте вихревые переменные токи (токи Фуко), под влиянием которых металл нагревается и плавится.
Тигли печей изготавливают из кислых и основных огнеупорных материалов (молотый кварц, магнезит). При этом жидкий металл не науглероживается. Под действием электромагнитных сил жидкий металл перемешивается, что ускоряет химические реакции, способствует получению однородного металла.
Применяются индукционные печи для выплавки высоколегированных сталей и сплавов особого назначения. Индукционные печи имеют небольшие размеры, что позволяет помещать их в закрытые камеры с контролируемой атмосферой или вакуумом.
Однако эти печи имеют низкую стойкость футеровки, шлак нагревается
теплотой металла, и его температура недостаточна для интенсивного протекания
металлургических реакций. Обычно здесь выплавляют стали из легированных отходов
методом переплава.
Возможны следующие сочетания плавильных агрегатов:
) основная и кислая мартеновская печь;
) основная мартеновская печь и электропечь;
) конвертер и электропечь.
В некоторых случаях комбинированные способы получения стали являются очень экономичными и единственно возможными.
Готовую сталь из печи сливают в ковш, из ковша сталь разливают в изложницу или машину для непрерывной разливки стали.
Изложницы представляют собой чугунные формы для изготовления стальных слитков. Форму изложницы выбирают в зависимости от назначения слитка, марки стали и т.п. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями.
Слитки квадратного сечения прокатывают на сортовой прокат (двутавровые балки, швеллеры, уголки и т.д.); прямоугольные с отношением ширины к толщине 1,5…3,0 - на лист; слитки круглого сечения - на трубы, колеса; многогранные слитки используют для поковок.
Для разливки спокойной стали используют изложницы, расширяющиеся кверху, на них устанавливают прибыльные надставки, футерованные огнеупорной массой с малой теплопроводностью. Сталь в ней дольше сохраняет жидкое состояние и питает слиток при усадке (улучшается качество слитка). Кипящая сталь разливается в изложницы, расширяющиеся книзу. При этом изложницы обычно делают сквозными без дна. Размеры изложниц зависят от массы слитка. Для прокатки отливают слитки от 200 кг до 25 000 кг, для поковок массой до 250 т.
Экономически более целесообразна разливка в более крупные слитки.
Существует два способа разливки стали в изложницы: разливка сверху и разливка снизу (сифоном).
Разливка сверху - заключается в заполнении изложницы жидким металлом прямо из ковша или через воронку, а также заливка нескольких изложниц (2...4) через промежуточный ковш, установленный между основным ковшом и изложницами. Применение воронки и промежуточного ковша уменьшает давление струи стали и способствует получению слитка с более чистой поверхностью (позволяет уменьшить разбрызгивание металла). При этом можно предельно снизить температуру заливки стали, что хорошо сказывается на качестве слитка. При разливке сверху необходимо следить, чтобы сталь не разбрызгивалась, т.к. брызги, застывая на стенках изложницы, ухудшают качество поверхности слитка, образуют окисные плены. При таком способе создаются неблагоприятные условия для удаления газов.
При сифонной разливке сталь из ковша заливается в центровой литник, футерованный огнеупорными трубками, и через каналы из огнеупорных пустотелых кирпичей поступает одновременно в целый ряд изложниц (от 4 до 60). Основана на принципе сообщающихся сосудов. Способ обеспечивает плавное, без разбрызгиваний заполнение изложниц, поверхность слитка получается чистой, сокращается продолжительность разливки, можно разливать большую массу металла одновременно на несколько мелких слитков. Однако процесс более трудоемок, более дорогой, а также требует более высокой температуры разливки, т.к. при течении по каналам металл охлаждается. Слитки массой до 20 тонн разливают как сверху, так и сифоном, свыше 20 тонн - только сверху. Разливку сверху используют, как правило, для углеродистых сталей, сифоном - для легированных и высококачественных сталей.
Непрерывная разливка стали осуществляется следующим образом. Из ковша жидкая сталь поступает в промежуточное разливочное устройство , из него отдельными струями - в водоохлаждаемую изложницу без дна (кристаллизатор). В кристаллизатор перед заливкой вводится временное дно (затравка) с углублением в виде ласточкиного хвоста. Попадая в кристаллизатор, металл затвердевает. Затравка тянущими валками вытягивается из кристаллизатора, увлекая за собой затвердевающий слиток, сердцевина которого находится в жидком состоянии. Скорость вытягивания слитка определяется его сечением (для сечения 300х2000 мм - 1 м/мин). На выходе из кристаллизатора слиток попадает в зону вторичного охлаждения, где охлаждается до полного затвердевания водой, подаваемой через форсунки.
Затвердевший слиток подается в зону резки, где разрезается газовым резаком на куски заданной длины. В кристаллизаторе получают слитки прямоугольного поперечного сечения размером 300х2000 мм, квадратного до 400х400 мм, круглые в виде толстостенных труб. Установки непрерывной разливки стали (УНРС) могут иметь до восьми кристаллизаторов, таким образом можно одновременно получать несколько слитков. В слитках непрерывной разливки отсутствуют усадочные раковины, они имеют плотное строение и мелкозернистую структуру.
Выход готовой продукции на 10…15% выше, чем при разливке в изложницы.
Залитая в изложницы сталь отдает тепло ее стенкам, поэтому кристаллизация слитка начинается от стенок изложницы и заканчивается в его центральной части. Сталь застывает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов, размеры и форма которых зависят от условий кристаллизации. На кристаллическое строение влияет, прежде всего, степень раскисленности стали. Различают спокойную, кипящую и полуспокойную сталь.
Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Затвердевает без выделения газов, образуя плотный слиток, в верхней части которого формируется усадочная раковина, а в средней части - усадочная осевая рыхлость. Во избежание образования дефектов слиток разливают с прибыльной частью, которую затем отрезают (14…22% от массы металла), отрезается также донная часть слитка (1..3% массы металла), где могут находиться неметаллические включения.
Кристаллическое строение слитка спокойной стали имеет три выраженные зоны:
А - зона мелких равноосных кристаллов у поверхности слитка (наружный слой);
Б - зона столбчатых кристаллов (дендритов), вытянутых в направлении центральной части слитка.;
В - зона крупных неориентированных кристаллов в центральной части слитка. Подобное строение определяется изменением скорости кристаллизации металла.
Кипящая сталь - не полностью раскислена в печи и ковше, и ее раскисление продолжается в изложнице за счет углерода металла (FeО+C=Fe+CO).
Окись углерода стремится выделиться из застывающей стали, увлекая азот и водород. Выделение газов - кипение металла в изложнице. Полностью газ не успевает выйти и остается в металле в виде газовых раковин (пузырей). Поэтому в слитке кипящей стали вслед за зоной мелких кристаллов (плотный металл) идет зона продолговатых сотовых пузырей, вытянутых к оси слитка (на расстоянии 15…20 мм от поверхности слитка). При прокатке газовые пузыри завариваются. Образование пузырей ведет к увеличению размеров слитка (слиток растет). Для уменьшения "роста" слитка кладут груз. В слитке кипящей стали не образуется концентрированная усадочная раковина: усадка рассредоточена по полостям газовых пузырей. Интенсивное движение металла при кипении способствует развитию в слитках ликвационных явлений: углерод, сера и фосфор скапливаются в верхней его части, от чего свойства стали здесь ухудшаются.