Сталью называют железоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 2 %.При производстве стали происходит снижение содержания углерода и примесей, присутствующих в чугуне (Mn, Si, S, Р и др.), за счет окисления кислородом воздуха и кислородом, содержащимся в руде. Снижению содержания углерода и примесей способствует закись железа FeO, которая образуется в начале плавки 2Fe+O2= 2FeO и далее C+FeO = CO+Fe. Так как излишняя закись железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкой стали путем введения ферросплавов (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия) по следующим схемам:

Образовавшиеся оксиды всплывают и удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени законченности раскисления различают спокойную сталь (си), т.е. наиболее раскисленную. Такая сталь в слитке имеет плотное и однородное строение, более качественная и дорогая; кипящую сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, в ней имеются пузырьки газа СО, которые остаются в прокате. Кипящая сталь сваривается, удовлетворительно обрабатывается, но при температуре 10 °С проявляет хрупкость. Кипящая сталь дешевле спокойной. Полуспокойная сталь (пс) по свойствам занимает промежуточное положение между (сп) и (кп).

Выплавку стали осуществляют в мартеновских печах, в конвертерах и электропечах.

Производство стали

Схема работы мартена A. Вдувание газо-воздушной смеси B. Теплообменник (нагрев) C. Жидкий чугун D. Горн E. Теплообменник (охлаждение) F. Выхлоп сгоревших газов

В процессе производства стали мартеновским способом, участвует специальная отражательная печь. Для того чтобы нагреть сталь до нужной температуры (2000 градусов), в печь вводят дополнительное тепло с помощью регенераторов. Это тепло получают за счет сжигания топлива в струе нагретого воздуха. Топливом служит газ (смесь доменного, коксовального и генераторного). Обязательное условие топливо должно полностью сгорать в рабочем пространстве. Особенностью мартеновского способа производства стали является то, что количество кислорода, подаваемого в печь, превышает необходимый уровень. Это позволяет создать воздействие на металл окислительной атмосферы. Сырье (чугун, железный и стальной лом) погружается в печь, где подвергается плавлению в течение 4 …6 или 8. 12 часов. Производительность печи за одну плавку до 900 т. В процессе плавления есть возможность проверять качество металла, путем взятия пробы. В мартеновской печи возможно получать специальные сорта стали. Для этого в сырье вводят необходимые примеси.

В мартеновских печах (9.3) помимо чугуна может быть произведена переплавка металлического лома, руды и флюса. В мартеновских печах (9.3) может быть произведена переплавка металлического лома (до 60. 70%), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки, сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали. Для интенсификации производства стали в мартеновских печах широко применяют кислород, что обеспечивает повышение производительности печей на 25. 30 % Большую экономию топлива дает использование теплоты остывающих мартеновских печей, для чего используют принцип работы двухванных печей, при котором теплота от одной остывающей ванны направляется в соседнюю, а затем происходит изменение направления потока, теплоты.

Мартеновский способ производства стали, наиболее распространенный (90%), состоит в получении стали в мартеновской печи путем переплавки чугуна и лома металлов. При нагревании от газа, сгорающего в печи, происходит выгорание кремния, марганца и углерода. Процесс продолжается несколько часов, что дает возможность лаборатории определять химический состав выплавляемой стали в различные периоды плавки и получать сталь любого качества. Емкость мартеновских печей достигает 500т.

Конверторный способ получения стали.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 %' металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3. 0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне. Далее при разливке осуществляется так называемое раскисление металла.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600 т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает резкое повышение производительности (на 40 % выше). Недостатки способа: повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

Мартеновская сталь лучщё и чище конвертерной. Конвертерная сталь содержит больше серы и фосфора, насыщена азотом и кислородом, содержит пузырьки воздуха, ухудшающие ее качество. Конвертерная сталь применяется для неответственных не сварных конструкций.

Первое использование кислородно-конвертерного способа приходится на пятидесятые годы двадцатого столетия. В процессе производства стали, чугун продувают в конвертере чистым кислородом. При этом, процесс происходит без затраты топлива. Для того, чтобы переработать 1 тонну чугуна в сталь требуется около 350 кубометров кислорода. Стоит отметить, что кислородно-конвертерный способ получения стали является наиболее актуальным на сегодняшний день. При этом, процесс не ограничивается на одном способе вдувания кислорода. Различают кислородно-конвертерный процесс с комбинированной, верхней и нижней поддувкой. Конвертерный способ производства стали с комбинированной поддувкой является наиболее универсальным.

В результате электросталеплавильного способа, получают специальные и высококачественные стали. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до 270 т. При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате прохождения тока через нагревательный элемент выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с применением шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты и примесей.

Благодаря шлакам, происходит связывание оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а так же удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредные примеси, например, фосфор, серу.

Кроме вышеперечисленных способов производства стали, известны и такие способы, как производство стали в вакуумных индукционных печах, плазменно-дуговой переплав.

Давайте подробнее остановимся на способе производства особо чистой стали, а так же жаропрочных сплавов. Суть способа состоит в выплавке в вакуумных печах. После мартеновской выплавки, сталь дополнительно переплавляют в вакууме, что дает возможность получения качественной однородной стали. Такая сталь применяется, в основном, в авиакосмической промышленности, атомной энергетике и других важных отраслях.

Выбор способа всегда зависит от поставленных задач, удобства применения оборудования, необходимого качества полученной стали и от других факторов. Естественно, что каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки.

Производство стали в дуговых электрических печах обладает рядом преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами, так как достигаемая в этих печах высокая температура позволяет выплавлять легированные стали, которые содержат тугоплавкие элементы,– вольфрам, ванадий и молибден. При электроплавке почти полностью удаляются из металла сера и фосфор, являющиеся вредными примесями.

Процесс получения доменного чугуна из руд и последующая переработка его в сталь связаны со значительными затратами топлива, флюсов, электроэнергии и др. Поэтому наряду с производством чугуна в доменных печах все шире используют более экономичные процессы прямого восстановления железа из руд. Один из таких процессов осуществлен на Оскольском электрометаллургическом комбинате. Изготовленные из обогащенной железной руды окатыши загружают в шахтную печь. Восстановление железа из окатышей производится водородом и оксидом углерода, получаемых из смеси природного и доменного газов. В восстановительной зоне печи создается температура 1000. 1100°С, при которой водород и оксид углерода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. В результате получаются металлизованные окатыши с содержанием железа 90. 95%. Охлажденные окатыши поступают на выплавку высококачественных сталей в электропечах.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2%) и постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

По содержанию углерода различают сталь низкоуглеродистую – менее 0,3% С, углеродистую – от 0,3 до 0,65% С и высокоуглеродистую – от 0,65 до 1,5% С. В строительствепреимущественно применяют низкоуглеродистые и углеродистые стали.

Чтобы повысить механические свойства сталей и чугунов, к ним добавляют различные легирующие (улучшающие их свойства) вещества – кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь.

Легированные стали принято делить на низколегированные – с суммарным содержанием легирующих элементов не более 4%, среднелегированные – от 4–5 до 8–10% и высоколегированные – более 10%. В строительствепреимущественно применяют низколегированные стали. Введение соответствующих легирующих веществ повышает коррозийную стойкость, прочность, ковкость, упругость.

Сталь хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую механическую прочность и пластичность, чем чугун. Основным сырьем для получения стали, как уже говорилось, служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания примесей в нем путем их окисления.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16–20 мин.

Примеси, входящие в определенных количествах в состав стали, различным образом влияют на ее качества.

Углерод основной элемент, влияющий на свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода возрастает ее прочность, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Обычное содержание углерода в строительных сталях, предназначенных для изготовления стальных конструкций, должно быть не более 0,22%. Марганец является полезной примесью и имеется во всех сортах стали. Он ослабляет вредное влияние серы и повышает прочность стали. Содержание марганца в строительной стали составляет около 0,41–0,65%.

Кремний, как и марганец, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость. Содержание кремния в строительных сталях составляет не более 0,3%.

Сера является вредной примесью. Содержание серы в стали, применяемой для изготовления стальных конструкций, не должно превышать 0,055%.

Фосфор также является вредной примесью; его содержание не должно превышать 0,05%.

Металлургическая промышленность выпускает различные по качеству и назначению стали. Это объясняется тем, что элементы стальных конструкций воспринимают разнообразные по действию нагрузки: балки – изгиб, колонны – сжатие, некоторые части ферм и арматура в железобетоне – растяжение, подкрановые пути – удар, а изготовление стали, одинаково хорошо воспринимающей все виды нагрузок, связано с большими затратами.

Источники: http://www.studfiles.ru/preview/3156085/