В настоящее время применяют главным образом конверторный, мартеновский и электросталеплавильный процессы выплавки стали.

Процесс получения стали в бессемеровском конверторе заключается и заполнении конвертора жидким чугуном и продувке его воздухом через днище. Основное преимущество итого способа и дальнейших его аналогов состоит в высокой производительности и отсутствии потребности в дополнительном топливе.

Современный кислородно-конверторный способ имеет примерно ту же технологию, что и бессемеровский способ. Отличием является конструкция конвертора с глухим дном (рис. 20) и применение для продувки технически чистого кислорода.

Кислород подают в конвертор через вертикальную трубчатую водоохлаждаемую фурму, не доходящую до металлической ванны. Из-за этого кислород не вдувается в толщу металла, как в старых конверторах, а подается на поверхность металла. При этом развивается высокая температура, что дает возможность перерабатывать чугун практически любого химического состава, а также добавлять в чугун скрап (железный лом).

Началом плавки считается загрузка в конвертор железного лома. После этого заливают жидкий чугун, опускают фурму, подают в нее технический кислород и загружают шлакообразующие материалы. Весь процесс выжигания примесей и избыточного углерода, включая слив шлака, занимает 50—60 мин, а продувка кислородом продолжается 18—26 мин.

Выплавка стали в кислородном конверторе отличается достаточно высокой точностью получения заданного содержания углерода при низком содержании вредных добавок фосфора и серы.

Недостатком кислородно-конверторного способа получения стали является большое пылеобразование, что требует применения дорогих пылеочистительных установок.

Мартеновский способ выплавки стали предложен в 1865 г. французским инженером П. Мартеном, который использовал для этой цели пламенную печь с регенерацией тепла отходящих газов для подогрева, топлива -и воздуха.

По этому принципу строятся и работают современные сталеплавильные мартеновские печи. Они отапливаются обычно смесью природного газа и мазута, имеют два-четыре регенератора.

Рабочее пространство печи ограничено снизу подом, сверху сводом, а с боков — стенками. Внутренняя полость печи имеет головки, сообщающиеся каналами с регенераторами.

В передней стенке мартеновской печи расположены рабочие окна 9, ЧеРез которые загружают материал для плавки и ведут за нею контроль. Под печи наклонен в сторону задней стенки, где расположена летка для выпуска стали.

В печь загружают жидкий или в виде чушек чугун и стальной лом в разных соотношениях в зависимости от разновидности мартеновского процесса.

Серьезным недостатком мартеновского процесса получения стали является его продолжительность (7—10 ч) и значительный расход топлива. С целью совершенствования и ускорения мартеновского процесса применяют кислород для обогащения воздушного дутья или непосредственного введения его в ванну с металлом через свод печи. На некоторых заводах комбинируют способы применения кислорода и даже разрабатывают для этого двухванные печи.

Получение стали в электрических печах основано на плавлении шпхты при использовании электрической энергии. Отсутствие окислительного пламени и доступа воздуха в электрических печах позволяют лучше управлять процессом плавки и получать сталь точно заданного состава.

В нашей стране этот способ применяют для выплавки высококачественных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе никеля и кобальта.

По принципу преобразования электрической энергии в тепловую электрические печи делятся на дуговые и индукционные. Для наклона и слива металла и шлака печь оборудована роликами с электроприводом.

В дуговых электрических печах плавят отходы сталеплавильного прокатного производства, а также привозной стальной лом. В зависимости от состава сырья и материала, а также футеровки печей процесс плавки может носить основной или кислый характер.

Выплавка стали в индукционных печах применяется реже, чем в дуговых. Такая печь состоит из индуктора в виде катушки, окружающей огнеупорный тигель, куда загружают металл для плавки. При включении электрического тока в катушке образуется магнитное силовое поле, пронизывающее металл. За счет поля в металле индуктируются вихревые токи, которые нагревают и плавят его.

В индукционных печах получают легированные стали с малым содержанием углерода и различные сложные сплавы.

Металл, залитый в ковш, выдерживают в течение 10 мин для выравнивания его состава и выделения газов и неметаллических включений. После этого ковш подают на разливку.

Изложницы представляют собой чугунные или стальные сосуды определенной формы, позволяющие получать слитки квадратного, прямоугольного, многоугольного или круглого сечения в зависимости от назначения получаемых слитков. Изложницы заполняют жидким металлом из ковша сверху через центральный литник по каналам или снизу (сифонная разливка). Разливкой сверху получают крупные слитки массой до 35—45 т для прокатки.

Сифонная разливка применяется для получения слитков массой до 14—16 т высокого качества.

При непрерывной разливке сталь из разливочного ковша через промежуточный ковш равномерной струей заливается в кристаллизатор, представляющий короб, охлаждаемый проточной водой. Здесь быстро формируются стенки слитка, откуда он вытягивается валками с определенной скоростью, равной скорости кристаллизации. Ниже валков слиток полностью отвердевает и от него кислородной горелкой отрезаются заготовки-необходимой длины, которые автоматически направляются на транспортные тележки.

Непрерывная разливка стали обеспечивает высокое качество слитков, уменьшает потери металла и повышает производительность труда.

Качество стали повышается при разливке за счет применения ее вакуумирования. Этот метод заключается в удалении из стали растворенных газов путем вакуумной обработки стали в ковшах перед ее разливкой в изложницы и разливочную машину. В результате сталь становится более пластичной и прочной.

Разливка стали в вакууме применяется для получения высококачественных и легированных марок сталей. Этот способ требует применения дополнительного сложного оборудования.

—

Сталью называется сплав железа с углеродом и другими примесями (марганец, сера, фосфор, кремний и др.) при содержании углерода до 2%. Сталь по своим свойствам значительно отличается от чугуна. Она лучше поддается механической и термической обработке, хорошо куется, прокатывается и т. д. Детали машин, изготовленные из стали, более прочны по сравнению с чугунными деталями.

Сталь получают из чугуна или из смеси чугуна со стальным ломом при переработке их в мартеновских печах, в конвертерах и в электропечах. Сущность этих способов получения стали заключается в удалении углерода и других примесей до пределов, определяемых маркой стали. Удаление примесей происходит в результате окисления их при высоких температурах расплавленного металла с последующим переводом окислов в шлак. Удаляются примеси также в виде газообразных продуктов сгорания.

Мартеновское производство стали

Наиболее широкое применение находит производство стали в мартеновских печах. Крупнейшие в мире мартеновские печи построены в СССР. Емкость каждой из них составляет 900 т.

Сырьем служит твердый или жидкий чугун и стальной или чугунный лом. В качестве флюсов применяют: известняк, плавиковый шпат, бокситы. Топливом служит мазут, генераторный газ, смесь доменного и коксового газов, а также природный газ. Устройство мартеновской печи показано на рис. 2. Шихтусостоящую из расплавленного чугуна, холодного чугуна и флюсов, подают в рабочее пространство печи через завалочные окна. Газ и воздух поступают в рабочее пространство печи, пройдя через нагретые газовый и воздушный регенераторы (на рис. 2 — через левые).

В настоящее время широко применяют обогащение кислородом воздуха, поступающего в мартеновскую печь. Это ускоряет процесс горения, кроме того, обогащение воздуха кислородом облегчает процесс окисления примесей.

Регенераторы представляют собой камеры с насадками2 из огнеупорного кирпича. Насадки нагреваются за счет тепла отходящих из рабочего пространства газов. После того как насадки левых регенераторов достаточно охладятся газом и воздухом, а насадки правых регенераторов нагреются отходящими продуктами сгорания, клапаны 1 и шиберы 2, приводимые в движения электрическими лебедками, изменят направление газа, воздуха и продуктов сгорания на обратное, В результате газ и воздух будут нагреваться, проходя через правые, регенераторы, а левые регенераторы нагреваются отходящими продуктами сгорания.

Таким образом, применение регенераторов позволяет в результате предварительного подогрева газа и воздуха получить достаточно высокую температуру в рабочем пространстве печи и частично использовать тепло отходящих газов.

Рис. 4. Устройство мартеновской печи:
1 — клапаны; 2 — шиберы; 3 — левые регенераторы; 4 — правые регенераторы; 5 — рабочее пространство печи; 6 — дымовая труба

Подача жидкого чугуна из доменного цеха в мартеновский производится в ковшах на четырехосных чугуновозных тележках. В мартеновском цехе расплавленный чугун сливают при помощи мостового крана в миксер, который представляет собой футерованный огнеупорным кирпичом цилиндр емкостью 1,3 • 10 кг (1300 г) жидкого чугуна. Миксер обеспечивает работу мартеновских печей независимо от времени выпуска чугуна в доменном цехе и, кроме того, позволяет выравнивать состав и температуру жидкого чугуна.

В мартеновских цехах при помощи заливочных кранов заливают жидкий чугун в печь; при помощи завалочных кранов или напольных завалочных машин производят завалку в печь твердых составляющих шихты; разливочными кранами поднимают и переносят разливочные ковши и производят разливку стали в изложницы; остывшие слитки вынимают из изложниц при помощи кранов для раздевания слитков, снабженных специальным механизмом для выталкивания слитков из изложниц. Таким образом, в мартеновских цехах краны непосредственно участвуют в технологическом потоке.

Кроме перечисленных кранов, мартеновский цех, его шихтовый двор и уборочный пролет обслуживают магнитогрейферные краны и краны общего назначения. Всего в современном мартеновском цехе насчитывается 25-—30 мостовых кранов.

Производство стали в конвертерах

В современном отечественном производстве начинают применять 100-г и проектируют 250 и 500-г конвертеры.

Раньше производство стали в конвертерах заключалось в продувке воздуха через расплавленный чугун. Во время продувки сначала окисляется железо, при этом выделяется большое количество тепла, за счет которого поддерживают необходимую температуру в течение всего процесса. Образующееся за-кисное железо растворяется в металле и раскисляет содержащиеся в чугуне примеси.

Сталь, полученная по описанному способу, содержит большое количество шлаковых включений и газы (азот, кислород), что ухудшает механические качества стали и ограничивает область применения конвертерного метода .производства стали, так как по этому методу можно было получать сталь только из руд определенного состава.

В настоящее время при конвертерном производстве широко практикуют продувку через чугун, смеси воздуха с кислородом или чистого кислорода. При этом процесс идет значительно быстрей, появляется возможность использовать руды любого состава и .получать сталь то качеству такую же, как и при мартеновском способе производства. Отличительной чертой конвертерного производства является его высокая производительность: на 1 г емкости конвертера приходится более 60 т выплавленной стали в сутки.

В конвертерах, предназначенных для продувки жидкого чугуна воздухом, последний подается через керамические фурмы, расположенные в днище конвертера. Применение для продувки кислорода вместо воздуха позволяет отказаться от неудобных в эксплуатации керамических фурм, заменив их более долговечными водоохлаждаемыми подвесными фурмами.

Продувку жидкого чугуна кислородом производят сверху, для чего подвесную фурму на время продувки опускают в горловину конвертера. Для слива шлака и стали конвертер поворачивают при помощи механизма с электрическим приводом.

Для слива шлака и стали конвертер поворачивается в цапфах. Механизм поворота конвертера состоит из двух электрических двигателей, червячного редуктора и цилиндрического редуктора. Слив происходит через специальное отверстие в верхней части конвертера.

Скорость поворота конвертера регулируется в широких пределах. Максимальная скорость поворота равна приблизительно одному обороту в минуту.

Учитывая высокую производительность конвертеров на кислородном дутье и высокое качество стаЛи, выплавляемой при этом процессе, правительство Советского Союза взяло курс на значительное развитие конвертерного производства стали.

Производство стали в электрических печах

В современном отечественном сталеплавильном производстве самыми крупными являются 80-т электрические печи. В настоящее время в СССР проектируют электрические печи емкостью 120 т.

Электрические печи для выплавки стали разделяют на дуговые и индукционные.

В дуговых электропечах тепло для расплавления сообщается шихте электрической дугой, возбужденной между угольными электродами

Рис. 5. Конвертер на кислородном дутье (общий вид)

В индукционных печах металл плавится электрическим током, наведенным в шихте индукционным путем. Классическим примером индукционной печи является печь, где ванна для металла выполнена в виде кольца вокруг магнитопровода трансформатора. В этом случае ванна является коротко-замкнутой вторичной обмоткой трансформатора.

Производство стали в электропечах является самым совершенным. Но вследствие относительно высокой стоимости электрической энергии в дуговых электрических печах выплавляют только качественные, высококачественные и легированные стали и их сплавы. Индукционные же печи применяют в сравнительно редких, специальных случаях для выплавки сталей с улучшенной структурой.

Современный уровень развития техники предъявляет высокие требования к качеству стали.

С целью получения наиболее высококачественных сталей применяют вакуумирование стали. Вакуумированием жидкой стали удается в значительной степени уменьшить содержание в ней вредных газов (особенно водорода), ухудшающих ее качество.

Одной из новинок, позволяющей увеличить коэффициент использования жидкой стали, является непрерывная разливка. При этом способе жидкая сталь поступает в кристаллизатор с одного конца и, затвердевая, выходит слитком на другом конце кристаллизатора. Процесс происходит непрерывно. При непрерывной разливке стали значительно сокращаются потери металла, неизбежные при обычном способе разливки вследствие образования усадочных раковин.