Металургія чорних металів

МЕТАЛУ́РГІЯ ЧО́РНИХ МЕТА́ЛІВ — комплекс технологічних процесів, що забезпечує отрима­н­ня заліза та заліза сплавів із залізних руд і допоміжних матеріалів. Числен­ні археол. артефакти свідчать про те, що виробництво заліза належить до найдавніших технологій і ві­діграло значну роль у роз­витку людства. Світове ви­зна­н­ня здобули вироби майстрів стародав. та серед. віків, зокрема заліз. колона в Індії, дамас. клинки, іспан. лати і давньорус. кольчуги. Про людей, які вміли виготовляти залізо, створено низку легенд, написано чимало поетич. творів. Збереглися зображе­н­ня давніх металургів, металург. печей і процесу виплавле­н­ня заліза. До кін. 19 ст. у ви­вчен­ні М. ч. м. за­стосовували пере­важно емпірич. по­гляд. Від­тоді завдяки числен. працям учених-металургів, зокрема О. Ба- йкова, В. Грум-Гржимайла та М. Па­влова, зʼявилася можливість керува­н­ня процесами для проведе­н­ня їх у потріб. напрямку. На поч. 20 ст. М. ч. м. стала приклад. фіз. хімією високих т-р. Згодом її зав­да­н­ня значно роз­ширено. Роз­різняють 3 складових частини М. ч. м. — металургії чавуну та сталі й електрометалургію. Вони базуються на теорії металург. процесів, що ви­вчає їхні заг. закономірності, та на практиці металург. виробництва (див. Чорна металургія). Пере­біг металург. процесів у окремих агрегатах — домен. печах, мартенівських печах (див. також Домен­не виробництво та Мартенівське виробництво), конвертерах, електропечах та ін. — має свої особливості, що значно впливають на тех.-екон. показники їхньої роботи.

Усі фіз.-хім. процеси, які від­буваються у домен. печі, поділяють на 3 групи: окисле­н­ня (горі­н­ня) палива; від­новле­н­ня заліза, а також марганцю, кремнію, фосфору, сірки та ін. елементів; плавле­н­ня. У піч завантажують не руду чи її концентрат, а агломерат, що виготовляють на їхній основі на ф-ці обгрудкува­н­ня. Як флюс найчастіше використовують вапняк CaCO₃, що після роз­кладе­н­ня у печі пере­творюється на CaO. Осн. продукти домен. плавле­н­ня: рідкий чавун (багатокомпонент. сплав на основі заліза, що містить вуглець, кремній, марганець, сірку та фосфор), рідкий шлак (оксиди, що вносяться у піч рудою, агломератом, попелом коксу та флюсом — SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, FeO) і колошник. газ (газоподібне паливо, що містить 20 % оксиду вуглецю, до 5–6 % водню та бл. 0,5 % метану). За допомогою домен. виробництва отримують: пере­роб. чавун (у заг.-світ. обʼємі його частка становить 85–95 %), з якого виробляють сталь; ливар. чавун, що є матеріалом для виробництва готових виробів; феро­сплави. Гол. тех.-екон. показниками роботи домен. печі є продуктивність та питомі витрати коксу. Серед напрямів тех. про­гресу домен. виробництва — збагаче­н­ня залізоруд. матеріалів; удосконале­н­ня процесів обгрудкува­н­ня сировини з метою отрима­н­ня міцного, великогрудкового та добре від­новлюваного матеріалу; збагаче­н­ня киснем способом дуття й під­вище­н­ня його т-ри; збільше­н­ня тиску газу у робочому просторі печі; заміна коксу природ. і кокс. газами, мазутом, пилоподіб. паливом; за­стосува­н­ня частково від­новлених поза домен. піччю матеріалів.

Губчасте залізо — пористий напів­продукт, що містить 95 % заліза з домішками породи й оксиди заліза. Його виробляють із заліз. руди чи концентрату, використовуючи твердий або газоподіб. від­новлювач при т-рі, що нижча точки плавле­н­ня, та минаючи стадію отрима­н­ня чавуну. Класифікація за методами отрима­н­ня: у твердій фазі (в шахт. печі); в шарі, що кипить; у нахилених трубчастих печах, що обертаються. З усіх методів від­новле­н­ня заліза (разом із домен­ним) найкращі показники щодо продуктивності має метод прямого від­новле­н­ня у шахт. печі. Роз­виток цього методу залежить від вартості та до­ступності природ. газу, а також від затрат на виробництво від­новлювал. газу. Губчасте залізо використовують для виробництва сталі у електропечах, а іноді й у домен. печах.

Осн. схемою для виробництва сталі є домен­на піч–кислород. конвертер. Далі за­стосовують скрап-процес у електропечі та скрап-рудний процес у мартенів. печі. Суть процесу виробництва сталі така: метал. шихту та присадні матеріали роз­плавляють під дією тепла, що подають ззовні, або тепла, що утворюється під час окисле­н­ня домішок у залізі; концентрацію домішок, що містяться у сировині, та домішок, що були до­дані у процесі виробництва, зменшують до необхід. межі; для досягне­н­ня потріб. властивостей сталі вводять легуючі елементи; температур. режимом забезпечують плавле­н­ня металу та компенсують втрати тепла; утворюється актив. рідкий шлак, що по­глинає продукти реакцій окисле­н­ня домішок у залізі; рідку сталь роз­ливають для отрима­н­ня кінцевого продукту чи напів­фабрикату з метою подальшого обробле­н­ня. Характерні особливості осн. процесів виробництва сталі: у подових плавил. печах — процес не залежить від різновиду шихт. матеріалів, оскільки енергію подають ззовні; реакції від­буваються майже завжди між металом і шлаком, а для створе­н­ня окислювал. реакції додають хімічно актив. шлак; швидкість реакцій залежить від процесів на межі метал–шлак і від швидкості пере­несе­н­ня в цих фазах; пере­дава­н­ня тепла від­бувається через шлак у ванну; у кисневих конвертерах тепло ззовні не подають; витрати тепла компенсують за рахунок реакцій між киснем і домішками чи залізом; обмежений вибір у шихт. матеріалах; реакції спочатку проходять між газовою та метал. фазами; для видале­н­ня вуглецю, кремнію та марганцю наявність рідкого шлаку не потрібна; утворе­н­ня актив. шлаку необхідне для дефосфорації та десульфурації; швидкості видале­н­ня вуглецю, кремнію та марганцю залежать від швидкості закачува­н­ня кисню; пере­дава­н­ня тепла від­бувається від металу до шлаку. Після виплавле­н­ня сталі можуть здійснювати її спец. пере­плавле­н­ня (вакуумно-дугове, вакуумно-індукційне, електрон­но-променеве, електрошлакове), вакуумне обробле­н­ня (дегазація у ковші; дегазація струменя металу під час роз­лива­н­ня; порційна та циркуляц. дегазації), продува­н­ня газами й обробле­н­ня рідкими синтет. шлаками, порошками, твердими шлако­утворюючими сумішами.

Процеси виплавле­н­ня сталі в подових плавил. печах: мартенів. процес, процес Еджакс, плавле­н­ня у печі опору з графіт. на­грівачами, двован., дуговій, індукц. і плазм. печах. У двован. печі послідовно роз­таш. 2 поди. На 1-му поді здійснюють окисле­н­ня газоподіб. киснем, на 2-му — попереднє про­гріва­н­ня твердої шихти теплом, що виділяється на 1-му поді. У цьому процесі використовують рідкий чавун і скрап. Для пере­робле­н­ня шихти, що містить велику кількість скрапу, за­стосовують мазутно- або газокисневі пальники. Осн. положе­н­ня, на яких базується технол. режим плавле­н­ня у двован. печі: однаковий час холод. (заправле­н­ня, завалюва­н­ня, про­гріва­н­ня та залива­н­ня чавуну) і гарячого (плавле­н­ня та викінче­н­ня) періодів у сусід. ван­нах; мін. витрати заліз. руди при завалюван­ні; витрати вапна при цьому мають забезпечувати мін. його присаджува­н­ня при викінчен­ні; витрати брухту при завалюван­ні не менші, ніж у мартенів. печах. Під час процесу Еджакс у шихті мартенів. печі використовують 100 % рідкого чавуну, закачува­н­ня кисню у факел здійснюють ще в перші періоди плавле­н­ня, можна додавати велику кількість скрапу. У технол. від­ношен­ні він є досконаліший від мартенів. процесу. У дуговій печі електр. енергія пере­творюється на тепло, що пере­дається металу та шлаку унаслідок тепло­провід­ності та ви­промінюва­н­ня. Залежно від складу шлаку можливе як окислювал., так від­новлювал. плавле­н­ня. Пере­важно завантажують тверду шихту (сталевий брухт або від­ходи легованих сталей); для пришвидше­н­ня окисле­н­ня домішок у залізі за­стосовують кисневе дуття; вміст кисню та сірки в металі зменшують спомповува­н­ням окислювал. шлаку, проведе­н­ням осаджувал. роз­кисле­н­ня та наведе­н­ням від­новлювал. шлаку з вапна та плавик. шпату; швидке та рівномірне роз­поділе­н­ня легуючих елементів обʼємом роз­плаву досягають індуц. пере­мішува­н­ням. Плавле­н­ня в дуговій печі часто використовують для виробництва високо­якіс. сталей, кислий процес має велике значе­н­ня під час фасон. лиття та пере­плавле­н­ня. Під час плавле­н­ня в індукц. печі до індуктора спрямовують змін. струм частотою 50–10 тис. Гц. Змін­не електромагнітне поле індуктора індукує у роз­плаві вихрові струми, при цьому електр. енергія пере­творюється на тепло. Шлак на­грівається від роз­плавленого металу у тиглі. За допомогою цього методу отримують особливо мʼякі сталі. Плавле­н­ням у печі опору з графіт. на­грівачами виготовляють швидкорізал., інструментал., нержавіючі, жаро­стійкі та магнітні сталі. Під час плавле­н­ня у плазм. печі між катодом і матеріалом утворюється плазм. дуга, що забезпечує пришвидшене пере­дава­н­ня тепла ванні, що знаходиться в атмо­сфері захис. газу, що іонізується дугою по­стій. струму. Плазм. факел роз­плавляє скрап і запобігає окислен­ню легуючих елементів, завдяки цьому методу виготовляють наймʼякші сталі.

Ви­окремлюють 3 різновиди киснево-конвертер. процесу: верх­нє продува­н­ня чавунів — пере­роб., високофосфористих, ванадієвих, високомарганцевистих, хромвміс., високофосфористих в агрегаті, що обертається; дон­не продува­н­ня пере­роб. чавуну; комбіноване (донно-верх­нє) продува­н­ня пере­роб. чавуну. Процес LD — виплавле­н­ня сталі з пере­роб. чавуну завдяки продуван­ню киснем зверху через охолоджену водою фурму з мідним соплом. При цьому окислюються та ошлаковуються шкідливі домішки. Процес здійснюють без під­веде­н­ня ззовні додатк. тепла, оскільки унаслідок окисле­н­ня його утворюється до­статня кількість. Спочатку кисень окислює залізо, а потім оксиди заліза — домішки. Кремній і магній окислюються у перші хвилини продува­н­ня. Окисле­н­ня вуглецю та фосфору від­бувається одночасно. Вуглець видаляють пере­важно жорстким (мала глибина зануре­н­ня фурми в метал), фосфор — мʼяким (фурму занурюють глибше) продува­н­ням. Охолодже­н­ня здійснюють скрапом (до 30 %), рудою (до 10 %), губчастим залізом і вапняком. Скрап завантажують разом із флюсом перед залива­н­ням рідкого чавуну. Додава­н­ня руди разом із вапном сприяє швидкому утворен­ню актив. шлаку. Роз­кисле­н­ня та легува­н­ня можна здійснювати в конвертері та в роз­ливал. ковші. Витрати вогнетривів становлять 2,7–5 кг/т сталі. Частка сталі, що виплавляють у кисневих конвертерах, у світ. виробництві по­стійно зро­стає. Процес LDАС — виплавле­н­ня сталі з високофосфористого чавуну продува­н­ням киснем зверху. У потік кисню вдувають порошк. вапно, що призводить до швидкого утворе­н­ня рідкоплин. актив. шлаку, який раз або двічі від­качують із конвертера. Заг. витрати вапна 140 кг/т сталі. При процесі LDАС 30 % вапна завантажують у ви­гляді шматків до початку продува­н­ня. Процес Кал-До — виплавле­н­ня сталі з пере­роб. або високофосфористого чавуну продува­н­ням кисню зверху в нахиленому конвертері під кутом 17–20° до горизонталі. Конвертер під час продува­н­ня обертають зі швидк. 30–40 обертів/хв. Кисень під тиском 3–4 атмо­сфери закачують через водо­охолоджувану фурму. Оксид вуглецю, що виділяється з ванни, згорає в конвертері та дає додатк. тепло, що до­зволяє збільшити частку скрапу та руди при завантажен­ні до 50 %. На окисле­н­ня металу та шлаку впливає зміна від­стані між фурмою та поверх­нею ванни, а також інтенсивність дуття. Якщо окисле­н­ня металу від­бувається під час прямого контакту зі струменем кисню, то пришвидшено видаляється вуглець, а якщо окисле­н­ня спрямоване через шлак, то швидше вилучається фосфор. Послідовність вигора­н­ня вуглецю та фосфору регулюють зміною швидкості оберта­н­ня конвертера. У процесі Кал-До для вилуче­н­ня фосфору при пере­роблен­ні високофосфористих чавунів, а також кремнію при плавлен­ні пере­роб. чавуну здійснюють заміну шлаку. Під час виплавле­н­ня сталі унаслідок процесу з дон­ним ду­т­тям кисень разом з рідкою чи газоподіб. охолоджувал. речовиною продувають через роз­плав чавуну знизу крізь роз­міщені на дні конвертера фурми. Завдяки тому, що охолоджувал. речовина вільно потрапляє в сталеву ванну, температура у зоні реакції кисню з рідким металом значно знижується. Це позитивно впливає на стійкість футеровки дна та робить метод технічно можливим. Порівняно з верх. кисневим ду­т­тям метод має такі пере­ваги: у ньому менша кількість шлаку чи оксидів заліза; менший вміст фосфору в сталі при роботі з одним шлаком; менші втрати заліза; більша продуктивність. Процес із комбінованим продува­н­ням базується на одночас. закачуван­ні кисню через верх. або бокову водо­охолоджувану фурми та різноманіт. технол. газів через дно конвертера. З його допомогою можливе пере­робле­н­ня шихти з практично необмеженою часткою брухту. Два таких конвертера виготовляють стільки ж сталі, як 3 мартенів. печі та 2 електропечі. Процес з комбінованим продува­н­ням економить бл. 35 % енергії. Під час неперерв. сталеплавил. процесу перед­бачено проведе­н­ня обробле­н­ня металу в лінії послідовно уві­мкнених проточ. апаратів або в зонах одного проточ. апарата, через які без­перервно протікає роз­плав. Під­веде­н­ня ре­агентів (чавуну, кисню, твердих окислювачів, флюсів та ін.) і від­веде­н­ня побіч. продуктів (газів, шлаку) також здійснюють без­перервно. У результаті вихідні матеріали, що рухаються технол. лінією, по­ступово пере­творюються на кінцевий продукт.

Завантажити статтю