Сталеплавильний переділ

У сталі в порівнянні із чавуном міститься менше вуглецю, кремнію, сірки й фосфору, тому основною задачею сталеплавильного переділу є зниження концентрації зазначених елементів. Досягається це шляхом окислювання («випалювання») домішок чавуну в сталеплавильних агрегатах.

По типу сталеплавильних агрегатів і технології плавки розрізняють мартенівський, киснево-конвертерний і електросталеплавильний процеси.

Мартенівський процес - виробництво рідкої сталі в мартенівській печі. Залежно від футерівки робочого простору печі розрізняють основний і кислий мартенівський процеси. Найбільшого поширення набув основний процес, що дозволяє переробляти практично будь-які шихтові матеріали, у тому числі з високим умістом сірки й фосфору. Процес полягає в окисленні вуглецю та других домішок у розплавленому металі на подині регенеративної печі.

Мартенівська піч складена з вогнетривкої цегли й стягнута системою сталевих балок, що утворюють зовнішній каркас. Усередині печі знаходяться робочий простір, зверху він обмежений зводом, знизу - подиною. Подина викладена у виді овальної чаші, у якій відбувається процес плавки. У передній стінці печі маються вікна, через які завантажують шихтові матеріали й стежать за ходом плавки. У задній стінці передбачені отвори для випуску сталі й шлаку. У торцях печі розташовані голівки, що з'єднують плавильний простір із регенераторами. Останні являють собою футеровані вогнетривкою цеглою камери, і служать вони для підігріву повітря й газоподібного палива, подаваних у піч. Гази й повітря проходять через відповідні регенератори й нагріваються до 1000-1200 С, у голівці печі вони змішуються й згоряють у виді факела, у результаті чого температура під зводом печі досягає 1750 С. Продукти горіння направляються через протилежну голівку в іншу пару регенераторів і нагрівають їхню вогнетривку насадку, потім надходять у котли – утилізатори й далі в димову трубу. Поступово насадка однієї пари регенераторів остигає, а насадка іншої пари, через котру йдуть продукти горіння, нагрівається. Коли температура в регенераторах, що нагріваються, досягне 1200-1300 С, автоматично змінюють напрямок руху газів і повітря на протилежне за допомогою перекидних клапанів, установлених у каналах для подачі й відводу газів. Цю операцію називають перекиданням клапанів, і проводиться вона кожні 15-20 хвилин. У такий спосіб відбувається регенерація тепла, і саме тому мартенівська піч відноситься до типу регенеративних.

У залежності від складу шихти розрізняють скрап-процес і скрап-рудний процес плавки. При скрапі-процесі в піч завантажуються скрап (металобрухт) і чушковий чавун. При скрап-рудному процесі в піч заливають рідкий чавун (55-75%), додають залізну руду (12-20%) і скрап. Найбільш розповсюджений скрап-рудний процес плавки.

Він включає наступні стадії: заправлення подини й укосів, завалку й прогрів твердої шихти, заливання рідкого чавуну, плавлення, кипіння, розкислення, доведення й випуск готової сталі.

Заправлення подини й укосів полягають у засипанні доломітовим чи магнезитовим порошком вибоїв і ямок, роз'їдених шлаком. Завалка шихти робиться з допомогою завалочних машин через вікна в передній стінці печі. Спочатку завантажують частина брухту, а на нього - вапняк і залізну руду. Після прогріву завантажують інший брухт, і нагрівають до температури плавлення чавуну. Заливання рідкого чавуну робиться з ковша по спеціально встановленому жолобу.

У період завантаження й плавлення шихти відбувається окислення домішок за рахунок кисню, що міститься в пічних газах і руді, а після утворення шлаку - за рахунок оксиду заліза в шлаку. Ці реакції зводяться до наступних схем:

FeO+Mn=(MnO)+Fe

2FeO+Si=(SiO₂)+2Fe

3FeO+2Al=(Al₂O₃)+3Fe

FeО+C=СОгаз+Fe

Круглі дужки вказують на перехід оксидів, що утворюються, у шлак. Оксид заліза, залізо й вуглець знаходяться в рідкому металі.

Важливим моментом плавки є період "кипіння" - виділення газу СО у виді пухирців, що утворюються в розплаві. Метал і шлак при цьому перемішуються, їхня температура й хімічний склад усереднюються, з металу віддаляються гази, неметалічні включення. По досягненню необхідного змісту вуглецю в киплячому металі, що визначається шляхом швидкого аналізу проб, що відбираються, приступають до останньої стадії плавки - доводці й розкисленню металу. Для цього в піч уводять розраховану дозу феромарганцю й феросиліцію, у результаті чого зменшується вміст оксиду заліза в металі (метал розкислюється). Після розкислення беруть контрольну пробу металу й шлаку, пробивають льотку й по жолобу випускають сталь у ківш.

Мартенівський процес дуже енергоємний, тривалий, не забезпечує необхідної якості сталі, тому майже у всіх розвинених країнах цей процес уже давно замінений киснево-конвертерним.

В останні роки деякі мартенівські печі реконструйовані в двох ванні сталеплавильні агрегати, що дозволило значно поліпшити техніко-економічні показники їхньої роботи. Ці агрегати являють собою мартенівську піч, розділену на дві камери. Обидві камери оснащені завалочними вікнами й випускними отворами, але додатково мають кисневі фурми. При продувці ванни киснем відбувається бурхливе окислення вуглецю й інших домішок із виділенням значної кількості тепла. Гарячі гази направляються в іншу камеру, де в цей час іде завантаження шихти, яка й нагрівається цими газами. Коли сталь у першій камері готова, її випускають, змінюють напрямок руху газів, і цикл повторюється, тобто агрегат працює безупинно, тривалість плавки й витрата палива зменшується.

Киснево-конвертерний процес - це виплавка сталі із чавуну в конвертері при продувці киснем зверху через водоохолоджувану фурму. За короткий термін киснево-конвертерний процес одержав широке поширення у всіх країнах. Сьогоднішній конвертер можна певною мірою називати нащадком бесемерівського, тому що в ньому, як і колись, сталь одержують, продуваючи рідкий чавун. Але вже не повітрям, а технічно чистим киснем. Це виявилося набагато ефективніше.

Киснево-конвертерний спосіб виплавки сталі прийшов у металургію більш ніж піввіку назад. Створений у Радянському Союзі за пропозицією інженера-металурга М. І. Мозкового, він цілком витиснув бесемерівський процес. Перша у світі тонна киснево-конвертерної сталі була успішно виплавлена в 1936 році на київському заводі «Більшовик», однак у промисловому масштабі цей процес був уперше реалізований в Австрії тільки в 1953 році.

Виявилося, що таким способом можна не тільки переробляти рідкий чавун, але й додавати в конвертер значні кількості твердого чавуну й залізного брухту, що раніш можна було переробляти тільки в мартенівських печах. От чому кисневі конвертери отримали таке велике поширення. Ступінь використання тепла в кисневому конвертері набагато вище, ніж у сталеплавильних агрегатах подового типу - тепловий коефіцієнт корисної дії конвертера складає 70%, а в мартенівських печах - не більш 30.

Конвертер являє собою сталеву судину грушоподібної форми місткістю 100-350 т. Усередині конвертер викладений вогнетривкою цеглою. У верхній частині знаходиться горловина, збоку - льотка. Зовні конвертер оперезаний сталевим кільцем із двома цапфами, що втримують конвертер, і дозволяють повертати його навколо горизонтальної осі. Перед початком процесу конвертер повертають у похиле положення, завантажують металевий брухт і рідкий чавун. Потім повертають у вертикальне положення, завантажують вапняк і подають кисень під тиском через фурму. За рахунок кисню в конвертері протікають реакції окислювання домішок і заліза. Метал у конвертері плавиться без витрати палива, тільки лише за рахунок тепла, що виділяється при окислюванні домішок. Витрата кисню досягає 5 куб. метрів у хвилину на кожну тонну сталі. Контроль плавки ведеться по спектру полум'я, що виходить із горловини конвертера.

По ходу плавки беруть проби металу на експрес-аналіз. Якщо зміст вуглецю відповідає заданому, продувку припиняють, піднімають фурму й, повернувши конвертер у горизонтальне положення, випускають сталь через льотку, а потім через горловину зливають шлак.

Киснево-конвертерний процес характеризується великою продуктивністю - за 40 хвилин в одному конвертері одержують 300 - 350 тонн сталі, у той час як мартенівська плавка такої ж кількості сталі триває 7 - 9 годин.