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, з’явилася 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. об’ємі 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 об’ємом 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 м’які 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 найм’якші 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 — м’яким (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