Агрегаты для выплавки стали

Самая крупная сталеплавильная печь – мартеновская (см. рис. 4). Эта пламенная регенеративная печь может вмещать до 900 т жидкой стали. Печь представляет собой ванну из огнеупорных материалов. Сверху имеется свод, в передней стенке расположены окна для завалки шихты, в нижней части задней стенки – летка для выпуска стали. В боковых стенах имеются головки для подачи топлива и отвода продуктов сгорания. Источником тепла является факел, в котором сгорает природный газ или мазут. Газы, образованные при горении, проходят через один из регенераторов (воздухонагревателей), отдавая тепло кирпичной насадке. Воздух для горения топлива подается через нагретый регенератор. Затем с помощью задвижки поток газов направляют так, чтобы остывший регенератор нагревался, а нагретый работал на подогрев дутья.

Для ускорения плавки через свод печи пропущены фурмы для вдувания кислорода.

Производительность печи оценивают величиной съема металла с 1 м² пода. Этот показатель достигает 10 т/м²; более крупные печи с площадью пода до 100 м² работают более производительно. Печь выдерживает от 400 до 600 плавок (примерно 8 месяцев), после этого ставится на ремонт. Продолжительность плавки в мартеновской печи от 6 до 12 часов. Выплавляют стали обыкновенного качества, углеродистые и легированные.

Доля мартеновской стали составляет около 50 % от всей выплавляемой в мире стали. В последние десятилетия эта доля снижается, так как новых мартеновских печей больше не строят.

Рис. 4. Сталеплавильные печи

Кислородный конвертор – второй по величине сталеплавильный агрегат. Он представляет собой грушевидный сосуд (реторту) из огнеупорного кирпича, покрытый снаружи стальным кожухом и подвешенный на опорах. Конвертор может поворачиваться на цапфах, наклоняясь для выпуска стали и шлака. Емкость конверторов – до 400 т жидкой стали, обычно 300 т. Размеры: высота до 9 м, диаметр – до 7 м.

В конверторе окисление имеющихся в чугуне примесей идет за счет продувки жидкого чугуна чистым кислородом (через фурму сверху). Химические реакции окисления протекают с выделением огромного количества теплоты, поэтому ванна очень быстро разогревается. Под фурмой температура расплава достигает 2400 °C. Плавка продолжается всего 40 минут: это самый высокопроизводительный сталеплавильный агрегат. В конверторах выплавляют только углеродистую и низколегированную сталь (содержание легирующих добавок не более 3 %). Слишком высокие температуры способствуют выгоранию ценных легирующих элементов, поэтому иногда легирование производят уже в ковше, после выпуска стали из конвертора. Доля конверторной стали растет; конверторный способ вытесняет мартеновский.

Электродуговая сталеплавильная печь имеет емкость до 300 т. Это камера из огнеупорного кирпича со съемным сводом. Для загрузки флюсов и легирующих элементов имеется окно; загрузка шихты производится сверху при снятом своде. Для выпуска стали печь имеет огнеупорный желоб. Она может наклоняться благодаря специальному механизму.

Тепло для химических реакций получается от горения трех электрических дуг между графитовыми электродами и шихтой. Печь питается трехфазным током с напряжением 600 В; сила тока до 10 кА. В электродуговой печи можно создать необходимую атмосферу (нейтральную, восстановительную или вакуум). Электрические параметры легко поддаются регулированию, поэтому в печи можно установить любую температуру.

В электропечах выплавляют высококачественные легированные стали. Плавка длится 6-7 часов; на тонну стали расходуется примерно 600 кВтч электроэнергии и около 10 кг электродов.

Электроиндукционная печь – самый маленький агрегат для выплавки стали. Ее емкость не превышает 25 т. Такие печи часто строят на машиностроительных предприятиях для переплавки собственных отходов.

Электроиндукционная печь – это огнеупорный тигель, помещенный в индуктор. Индуктор выполнен в виде витков медной трубки, через которую под давлением прокачивается вода для охлаждения. Индуктор подключен к генератору переменного тока высокой частоты (от 500 до 2000 Гц). Ток создает переменное электромагнитное поле. Под действием этого поля в кусках шихты, находящейся в тигле, наводятся вихревые токи, или токи Фуко. За счет сопротивления металла прохождению тока шихта разогревается и плавится; расплав интенсивно перемешивается.

В этой печи также можно создать любую атмосферу. Здесь не слишком высокая температура, поэтому нет угара легирующих элементов. Нет графитовых электродов, как в дуговой печи, поэтому лишний углерод не попадает в расплав. В индукционных печах выплавляют высококачественные легированные стали и сплавы, в том числе безуглеродистые.

Этапы выплавки стали

В любой сталеплавильной печи плавка происходит в несколько этапов:

1) плавление шихты и нагрев ванны; в этот период окисляются железо и примеси, и удаляется фосфор;

2) «кипение» ванны: лишний углерод удаляется в виде пузырьков CO, и кажется, что сталь кипит; в это же время идет удаление серы;

3) раскисление – восстановление железа из оксида FeO с помощью более активных элементов (марганца, кремния, алюминия);

4) легирование – добавление необходимых элементов для получения легированной стали; производится в конце плавки или прямо в ковше.

По степени раскисления стали подразделяют на спокойные (полностью раскисленные – ферромарганцем, ферросилицием и алюминием), кипящие (раскисленные только ферромарганцем, они «кипят» в изложнице – это выделяется оксид CO в виде пузырьков) и полуспокойные (раскислены марганцем и кремнием).

Слиток спокойной стали плотный, в верхней части имеется усадочная раковина. В слитке кипящей стали остаются пузырьки газа, усадочной раковины нет. Эта сталь не содержит неметаллических включений и более пластична, так как в ней меньше кремния.

Разливка стали

Выплавленную сталь выпускают в разливочный ковш и разливают в изложницы (чугунные формы) для получения слитков нужного веса и формы. Используется стопорный ковш. Изложницы заполняются сверху или снизу (сифонная разливка). При сифонной разливке одновременно заполняются сразу несколько изложниц. Потери металла в этом случае больше, но качество слитка выше, так как заполнение формы расплавом идет спокойно, без брызг. Застывшие брызги образуют на поверхности слитка твердые частицы – «корольки», затрудняющие его дальнейшую обработку. Углеродистые стали обыкновенного качества разливают сверху, а легированные, качественные – сифоном.

Наиболее экономичным является способ непрерывной разливки стали (рис. 5). Металл из ковша выпускается в промежуточное разливочное устройство, а оттуда поступает в медный кристаллизатор. Кристаллизатор имеет двойные стенки, между которыми прокачивается вода, отводящая тепло от расплава. Проходя через отверстие кристаллизатора, расплавленный металл начинает затвердевать. На выходе частично затвердевший слиток захватывается тянущими роликами и направляется на дополнительное охлаждение водой из форсунок. Скорость вытягивания составляет примерно 1 м/мин. Окончательно затвердевший профиль разрезается на мерные куски с помощью ацетилен-кислородного резака.

Установки непрерывной разливки стали (УНРС) бывают радиального, горизонтального и вертикального типов (по направлению вытягивания слитка). Выход годного продукта при этом способе составляет до 98 %. Слиток имеет плотное, мелкозернистое строение. Может быть получено сечение любой формы: .