Выплавка стали: история и современность

Выплавка стали: история и современность

На металлургической кухне выплавка стали происходит по похожему сценарию: в огромную «кастрюлю» засыпают сырье (шихту) и «варят» в условиях высокой температуры по определенной технологии (рецепту). А нужная температура также достигается либо с помощью газа, либо электроэнергии.

Сейчас есть три основных промышленных способа выплавки стали в мире:

• мартеновский;
• кислородно-конвертерный;
• электрометаллургический.

История выплавки стали

Человечество научилось получать железо еще в средние века. Но вплоть до середины XIX века это были небольшие объемы низкокачественного материала. Его производили, как правило, в сыродутных печах и дорабатывали в кузнях, где мастера получали штучный товар. Интересно, что остатки средневековых сыродутных печей (также известных как гамарни) найдены на территории современной Украины. Что наиболее примечательно, они находились в западной части страны, которая сегодня не является центром металлургии.

Но в существовавших до XIX века технологиях производства железных изделий был один существенный недостаток. Фактически это было либо очень мягкое железо, либо хрупкая сталь, которую получали из железа доработкой в кузнях. И такие материалы нельзя было в чистом виде использовать — предметы быстро тупились или легко ломались.

Сейчас известно, что железный сплав обладает таким свойством как упругость. Оно появляется лишь при формировании четкой кристаллической структуры из расплава. А средневековые технологии не позволяли расплавить металл с нужной пропорцией железа и углерода. Для этого требовалась недостижимая в те времена температура 1450 С°.

Промышленная революция привела к резкому росту спроса на новый конструкционный и оружейный материал: прочный, долговечный и поддающийся механической обработке.

Как результат, в XIX веке появились истоки всех трех современных способов выплавки стали.

Мартеновское производство: преимущества и модернизация

Вплоть до середины XX века мартеновские печи были основной технологией, которая позволяла плавить сталь. Впервые ее построил француз Эмиль Мартен в 1864 году. Среди ее преимуществ были: возможность использования стального лома в шихте (его было много благодаря активному развитию железных дорог) и большой сортамент качественных марок стали, которые можно было производить благодаря длительной плавке (до 13 часов).

Первые мартены на территории современной Украины построил валлиец Джон Юз в 1879 году. В середине XX века с использованием этой технологии, по разным оценкам, выплавлялось от 50% до 80% всей мировой стали.

Однако из-за длительного времени плавки, необходимости постоянного внешнего подогрева печи, удорожания природного газа, неэкологичности процесса и других сложностей мартены уступили свои позиции новым технологиям.

В большинстве действующих мартеновских цехов используются не классические мартены, а, так называемые двухванные сталеплавильные агрегаты. В них объединены элементы конвертерной и мартеновской технологий. Грубо говоря, это две мартеновских печи, которые объединены между собой, что позволяет подогревать железный расплав изнутри кислородом, а не только внешнюю часть печи природным газом. Это дает существенную экономию ресурсов и возможность сократить длительность одной плавки до 3-4 часов.

Конвертерное производство: в поисках кислорода

Предтеча конвертерного способа выплавки стали – бессемеровский процесс – появился раньше мартенов. Англичанин Генри Бессемер получил патент на свое изобретение в 1856 году. В нем жидкий чугун продували атмосферным воздухом, чтобы снизить содержание углерода. Но при этом в сталь попадал азот, который снижал температуру плавки и частично переходил в виде примеси в сталь. В том числе из-за этого способ не получил широкого распространения. Ведь более низкая температура плавки ограничивала использование металлолома, возникала потребность в высококачественном сырье – чугуне, который производился бы из железной руды без вредных примесей. Бессемер знал об этом недостатке, но в те годы было практически невозможно получить большие объемы чистого кислорода. Бессемеровские печи работали на территории современной Украины вплоть до 1983 года.

В 1878 году еще один англичанин Сидни Гилкрист Томас усовершенствовал изобретение своего земляка. Томасовские печи позволили выводить из расплава часть вредных примесей, таких как фосфор. Благодаря этому технология получила распространение в Бельгии и Люксембурге, где добывались высокофосфористые железные руды.

Однако, в обеих технологиях качество стали оставалось низким по сравнению с мартенами вплоть до начала 1930 годов. Именно тогда начались попытки внедрения кислородного дутья. В бессемеровских конвертерах жидкую сталь продували не воздухом, а чистым кислородом, получаемым в криогенных установках. Считается, что одни из первых опытов по использованию такой технологии проводились Николаем Мозговым в Киеве на заводе Большевик. Параллельно велись пробные плавки в Германии и Австрии. Но Вторая мировая война затормозила технологический прогресс в металлургии.

Лишь после окончания войны с развитием криогенных технологий кислородные конвертеры начали вытеснять мартеновское производство. Первые промышленные цеха заработали в 1952 году. Производство конвертерной стали оказалось более производительным и экономным. Некоторое время на эту технологию переводили устаревшие бессемеровские цеха, но все чаще строили новые более совершенные производственные линии.

Современные кислородные конвертеры представляют собой сосуды грушевидной формы, изготовленные из стали. Внутри они обложены специальным огнеупорным материалом. Сверху в них погружаются фурмы, через которые под высоким давлением подается чистый кислород. С помощью этого газа дожигается углерод до требуемого в стали уровня.

Дуговые электросталеплавильные печи: сила тока

Еще в 19 веке стало известно, что не только газы, но и постоянный электрический ток может восстанавливать металлы из окислов, а также расплавлять их с помощью электрической дуги. Однако отсутствие мощных источников электроэнергии сдерживало развитие технологии выплавки стали в электрических печах.

Лишь в 30-х годах 20 века начали появляться мощные электростанции, которые позволили задуматься о промышленном внедрении электрометаллургии. Сначала это был цветмет. Впоследствии технология пришла и в черную металлургию. Одним из наиболее наглядных примеров внедрения электрометаллургии является Запорожье. В этом городе в 1932 году запустили первые турбины ДнепроГЭС. После этого здесь один за другим появились предприятия электрометаллургии, которые производили алюминий, титан, ферросплавы и специальные стали.

Сегодня дуговые сталеплавильные печи (ДСП) используют не только для выплавки специальных, но и рядовых марок стали. Из них, как правило, производят квадратную заготовку и длинномерный стальной прокат. В печи, заполненные шихтой, погружают три огромных графитовых электрода, на которые подается переменный или постоянный ток. Возникает электрическая дуга, которая создает высокую температуру внутри печи и плавит лом. На базе ДСП обычно строят так называемые мини-заводы (mini-mills) – небольшие металлургические предприятия годовой мощностью 0.5-2 млн. тонн стали. Распространены они в странах с доступной электроэнергией и большими источниками ломообразования.

Как и в кислородных конвертерах, в электрометаллургии достаточно короткий период плавки – 40-60 минут. На первых этапах развития этих технологий скорость была и основным недостатком – возникали сложности с освоением большого количества марок стали. Ведь за несколько часов плавки в мартенах, в шихту постепенно вводили флюсы, раскислители, легирующие элементы, которые влияли на характеристики материала. А заводские лаборатории успевали за это время провести анализ полученного продукта и дать рекомендации сталеварам. Однако сейчас это преимущество мартенов практически нивелировано внедрением внепечной обработки. Сталь из конвертеров и ДСП дорабатывается в вакууматорах и установках печь-ковш до необходимого состояния и химсостава и уже после этого подается на машины непрерывной разливки.

Сырье: как найти нужную пропорцию шихты

Все три основных способа выплавки на выходе дают один продукт – жидкую сталь. При ее производстве используются разные сырьевые компоненты и их пропорции.

В мартенах при классической плавке около 33% шихты составляет лом черных металлов. Остальное – жидкий чугун из доменных печей. В отдельных случаях доля лома доходила до 66%. Это, так называемый, скрап-процесс, который активно использовался в мартенах при машиностроительных или трубных предприятиях. Ведь там во время обработки металлопродукции образовывалось огромное количество стальных отходов. Но чем больше лома, тем более высокая температура требуется для его расплавления. И мартены благодаря внешнему обогреву природным газом обеспечивали нужный уровень тепла.

А вот в кислородных конвертерах возможности внешнего обогрева нет. Поэтому доля лома в шихте здесь существенно ниже – около 15-25%. Иначе расплав получится слишком холодным. Кроме того, этот способ выплавки стали начал активно распространяться параллельно с непрерывной разливкой, которая привела к сокращению оборотного лома на металлургических предприятиях. Чтобы его не закупать на стороне, приходилось увеличивать долю горячего чугуна.

В электрометаллургических печах нет сложностей с достижением нужной температуры. Поэтому здесь до 100% шихты может быть сформировано из лома черных металлов. Однако, некоторые современные ДСП были построены вместо мартенов в составе интегрированных металлургических комбинатов с действующим доменным производством. Поэтому их конструкцией предусмотрено использование до 40% жидкого чугуна в составе шихты. Но страны, в которых распространены ДСП, имеют свои особенности. Например, в США около 70% стали выплавляется таким способом. Это объясняется высоким уровнем ломообразования: американцы часто меняют автомобили и бытовую технику, в этой стране развито машиностроение. В Турции около 68% электростали, но гораздо меньше источников ломообразования. Поэтому эта ближневосточная страна является крупнейшим в мире импортером лома.

Выплавка стали в Украине производится всеми тремя рассмотренными способами. По итогам 2019 года согласно данным www.worldsteel.org в мире было произведено 1,87 млрд. тонн стали. Из них – почти 72% в конвертерах, чуть менее 28% в ДЭСП, и лишь 0,3% в мартенах. Полный список стран по выплавке стали можно посмотреть на сайте ассоциации Worldsteel.

В любом случае можно уверенно говорить, что на современной металлургической кухне при соблюдении технологии (рецепта) и хорошей подготовке компонентов (сырья) получится качественное блюдо… то есть сталь. И при этом не важно, в какой печи его готовишь – электрической или газовой.

А то, что это хорошо получается у металлургов Украины, подтверждено географией экспорта их металлопродукции – от ближайших соседей до самых отдаленных уголков земли.

Краткие сведения о производстве чугуна и стали

В этой статье речь пойдет о сложном процессе производства чугуна и стали в современном производстве.

Выплавка чугуна и стали

Современное металлургическое производство чугуна и стали состоит из сложного комплекса различных производств (рис. 22):

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огнеупорных материалов.
2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке, обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают концентрат – продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.
3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют подготовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при температуре

Современное производство стали основано на двухступенчатой схеме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных способов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восстановление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших количествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун – сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, марганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда происходящих химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Рис. 22. Схема современного металлургического производства

Продукция черной металлургии

Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4,4% С; до 0,6-0,8%. Si; до 0,25-1,0% Мп; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отливок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное содержание кремния (до 2,75-3,25%).

Ферросплавы – сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам, относят доменный ферросилиций, содержащий 9-13% Si и до 3% Мп; доменный ферромарганец, содержащий 70-75% Мп и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25% Мп и до 2% Si.

Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последующей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профилем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сортаментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и специальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150х150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65-300 мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной – фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т. д.).

Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4-160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм – тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката – колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т. п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлак и колошниковый газ. Доменным шлаком называют легкоплавкое соединение флюса (СаС03 – известняк) с пустой породой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлургических заводов.

Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процессов.

Производство чугуна и стали

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном — в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь: Fe + С ( < 2 % ) + примеси (относительно немного);
Чугун: Fe + С ( > 2 % )+ примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия между этими сплавами?

Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна, т.к. производство её в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ. Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого «достижения» были : несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного производства, ,строительных и дорожных работ. Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того, зарытого металла в земле на стройках, брошенного на свалках, в лесах, болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до 0,5… 0,6 кг железа. В кузнечных горнах железо восстанавливалось из руды углём при продувке воздухом с помощью кузнечных мехов.
Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода, которая и восстанавливала чистое железо из руды.

В результате длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре (до 1100…1350 o С), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло в твердой фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но был постепенно вытеснен кричным переделом.

Отсюда следует, что исторически самым первым сварщиком металлов был кузнец, а самый первый способ сварки — это кузнечная сварка.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90… 95 % железа) и выплавка стали в электропечи.

Производство чугуна

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора. Флюсы (известняки, кремнеземы. ) необходимы для получения шлаков При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Производство стали

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем количество углерода, марганца, серы и фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 o С. Газ и воздух предварительно подогреваются ( до 1200…1250 o С) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества выплавляют в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую хром, вольфрам и др. Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и плавикового шпата.

Индукционная плавка применяется обычно для переплавки сталей и получения высоколегированных и специальных сталей в условиях вакуума или специальной регулируемой атмосферы.

4.2 Производство чугуна, стали и доменного кокса

При производстве чугуна и стали могут выделяться диоксид углерода (CO₂), метан (CH₄) и оксид диазота (N₂O). В этой главе приводится руководство по оценке выбросов CO₂ и CH₄.

Черная металлургия в основном включает:

— интегрированные предприятия по производству чугуна и стали;

— вторичные предприятия по производству стали;

— предприятия по производству железа прямого восстановления, в некоторых случаях интегрированные с предприятиями по производству стали;

— предприятия по производству доменного кокса вне завода по производству чугуна и стали.

На рисунке 4.1 представлены основные процессы производства чугуна и стали: производство доменного кокса, агломерата, окатышей, переработка железной руды, выплавка чугуна, стали, литье стали и, очень часто, сжигание доменного газа и газа из камерных печей для поддержания этих и других процессов. Основные процессы могут протекать в условиях так называемых «интегрированных» предприятий, которые обычно включают доменные печи и кислородные конвертеры или, в отдельных случаях, открытые подовые печи (мартеновские печи). Часто часть производства размещается на стороне, на предприятии другого оператора, например, кокс может производиться вне металлургического завода.

Рисунок 4.1 Основные процессы интегрированного

производства чугуна и стали <*>

Иногда коксовые предприятия не являются интегрированной частью производства чугуна и стали (т.е. не входят в металлургическое предприятие). В этой главе приводится руководство по оценке выбросов CO₂ и CH₄ от всех видов производства кокса для того, чтобы обеспечить согласованность и полноту учета. При использовании методов высокого уровня следует оценивать выбросы от производства кокса на металлургическом предприятии и вне его по отдельности, поскольку побочные продукты производства «на месте» (например, газ из камерных печей, коксовая пыль и т.д.) часто используются в производстве чугуна и стали.

Первичное и вторичное производство стали

Производство стали можно осуществлять на интегрированных предприятиях из железной руды или на вторичных предприятиях, где сталь производится в основном из вторичного стального скрапа. Интегрированные предприятия включают производство кокса, доменные печи и кислородные конвертеры или, в некоторых случаях, мартеновские печи (ОПП). Нерафинированную сталь производят в кислородных конвертерах из доменного чугуна, выплавляемого в доменной печи, и затем перерабатывают в конечную продукцию. Доменный чугун можно также перерабатывать непосредственно в чугунные изделия. Для вторичного производства стали чаще всего используются электродуговые печи (ЭДП). В 2003 году продукция кислородных конвертеров составляла примерно 63% от мирового производства стали, продукция ЭДП — около 33% и продукция ОПП — остальные 4% (но их доля сегодня снижается). В Российской Федерации в 2012 г. продукция кислородных конвертеров составляла около 66%, продукция ЭДП — около 29%, продукция мартеновских печей — около 5%.

Производство чугуна и железа прямого восстановления

Чугун может производиться на интегрированном сталеплавильном предприятии или на отдельном заводе, включающем доменные печи и кислородные конвертеры. Помимо чугуна для производства стали используется железо прямого восстановления (ЖПВ). Прямое восстановление заключается в восстановлении железной руды при температуре ниже 1000 °C до металлического железа в твердом состоянии.

Производство доменного кокса

Считается, что при производстве доменного кокса используется энергия ископаемого топлива, поэтому выбросы следует относить к категории 1А сектора «Энергетика». Несмотря на это, методики рассматриваются в разделе ППИП, поскольку данные о деятельности, которые используются для оценки выбросов от энергетического и неэнергетического использования топлива при производстве чугуна и стали, в значительной степени перекрываются. Все топливо, потребленное в этой категории источников, которое не учтено как сырье для фабрик агломерата, заводов окатышей и доменных печей, следует рассматривать как сжигание топлива, что относится к сектору «Энергетика».