Металлургия стали
  1.1 Возникновение и развитие сталеплавильных процессов

В Европе железо впервые научились получать приблизительно за 1000 лет до нашей эры. Первым агрегатом для этого был сыродутный горн, который применялся вплоть до XV века. Затем в результате ряда усовершенствований он превратился в сыродутную печь, схема которой показана на рисунке 1.1.

Вертикальный разрез сыродутной печи

Рисунок 1.1 – Вертикальный разрез сыродутной печи: 1 – сопло; 2 – рабочее пространство печи; 3 – деревянный сруб; 4 – меха

Печь представляла собой деревянный сруб, заполненный огнеупорной глиной, в которой выполнено рабочее пространство печи. Иногда внутренние части печи выкладывали огнеупорным камнем. В передней стенке сруба имелось отверстие, в которое вставляли сопло от мехов, подающих в печь воздух. Через это же отверстие проводился выпуск плавки и вынимался продукт плавки – крица.

Печь работала следующим образом. Разогретый дровами горн заполняли древесным углем, который сжигался кислородом воздуха. По мере выгорания угля в печь загружалась смесь предварительно прокаленной и просеянной руды с древесным углем. Плавка продолжалась до тех пор, пока не было израсходовано определенное количество руды. После этого подачу воздуха прекращали, выпускали из нижней части горна шлак и затем выжигали остатки угля. На этом плавка заканчивалась, и из нижней части печи вынимали раскаленный кусок губчатого железа (крицу). Полученную крицу проковывали под молотами для удаления из нее шлака, после чего она становилась пригодной для изготовления из нее различных изделий.

Высота печи составляла от 0,5 до 2,5 м. За одну плавку продолжительностью 2 – 2,5 часа в ней получали от 8 до 80 кг железа.

На протяжении многих веков этот способ получения железа был единственным. Однако растущие потребности общества заставили искать пути увеличения производства железа, так как производительность сыродутной печи была низкой, а потери железа – большими. Это привело к увеличению размеров печи, главным образом в высоту, и количества подаваемого воздуха. Результатом этих изменений явилось снижение температуры в верхней и повышение ее в нижней части печи. Когда температура в нижней части печи оказалась достаточной для расплавления восстановленного железа, жидкий металл, стекая по частицам угля, интенсивно науглероживался. Это привело к коренному изменению процесса – продуктом плавки было уже не мягкое, ковкое железо, а чугун, т.е. железо с содержанием углерода около 4%.

Долгое время полученный в сыродутном процессе чугун считался браком, так как не поддавался ковке и был хрупким. Однако позже из чугуна научились делать отливки, а затем вторично переплавлять его с рудой, окислять избыточное количество углерода и получать мягкое железо. Таким образом, вместо непосредственного получения железа из руды в сыродутной печи, т.е. одноступенчатого процесса, появился двухступенчатый процесс – получение жидкого чугуна и последующий передел его в сталь в другом агрегате.

Несмотря на логическую нецелесообразность перехода к двухступенчатому способу производства стали, последний имел огромную экономическую эффективность – при восстановлении железной руды расход угля сократился в два раза, выход железа увеличился в полтора раза, резко возросла производительность агрегатов. Кроме того, понизилась трудоемкость получения металла, появилась возможность организовать производство литой стали. Поэтому все последующее развитие металлургии протекало путем совершенствования двухступенчатого способа производства стали, который до настоящего времени остается наиболее экономичным и производительным.

Из сказанного выше следует, что сталеплавильные процессы возникли и развивались как процессы, основанные на окислительном рафинировании, в которых удаление из металла большинства примесей протекает путем окисления их растворенным в железе кислородом или оксидами железа шлака и перевода нерастворимых в металле оксидов в шлак или в газовую фазу.

Первоначально переработка чугуна в железо и сталь заключалась в расплавлении чугуна в горне на древесном угле и окислении углерода, кремния, марганца и других примесей кислородом дутья и действием шлаков богатых оксидами железа.

В 1784 г. Г. Кортом (Англия) был предложен способ получения стали путем окислительной плавки чугуна на подине отражательной печи, получившей название пудлинговой (от англ. to puddle – месить, перемешивать). Схема печи показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема пудлинговой печи: А – топка; Б – рабочее пространство; В – камера для предварительного подогрева чугуна отходящими газами

После расплавлении чугуна в пудлинговой печи начиналось так называемое вымешивание: температуру чугуна на короткий промежуток времени несколько понижали и рабочие-пудлингеры перемешивали металл и шлак клюкой или ломами.

При обезуглероживании чугуна в пудлинговой печи температура плавления металла увеличивается и наступает момент, когда она становится равной температуре в рабочем пространстве печи. Дальнейшее обезуглероживание приводит к тому, что из расплава начинают выделяться кристаллы наиболее чистого железа с высокой температурой плавления. Из этого металла «накатывают» комья по 30 – 50 кг, которые извлекают из печи и направляют для последующей обработки давлением. Железо, полученное в пудлинговых печах уральских заводов, имело следующий химический состав, (% масс.): 0,1 – 0,2 C; 0,05 – 0,1 Si; ~ 0,1 Mn; ~ 0,01 P; 0,004 S.

Жидкую сталь первоначально получали путем обезуглероживания чугуна при плавке в тиглях.

В 1855 г. Генри Бессемером (Англия) был предложен способ получения литой стали в больших количествах путем продувки жидкого чугуна воздухом в конвертерах донного дутья с кислой футеровкой (бессемеровский конвертер).

В 1878 – 1879 г.г. Томасом (Англия) был разработан вариант конвертерного процесса, в котором использовали футеровку из основных огнеупоров (доломита), получивший название томасовского или основного конвертерного.

В 1865 г. братья Эмиль и Пьер Мартены (Франция) успешно осуществили выплавку стали из чугуна и железного лома в регенеративных пламенных печах. Получение в этих печах высокой температуры, достаточной для расплавления стали, стало возможным благодаря нагреву газа и воздуха перед подачей в печь. Принцип использования тепла отходящих газов для нагрева топлива и воздуха в так называемых регенераторах был предложен Сименсом (Германия). Поэтому в ряде стран процесс называют сименс-мартеновским. В нашей стране он получил распространение под названием мартеновского.

Первые успешные работы по выплавке стали в электропечах различной конструкции были выполнены в конце XIX – начале XX столетия. В России первые промышленные электросталеплавильные печи емкостью 3 т были установлены на Обуховском заводе в 1910 г.

Первые исследования, направленные на использование кислорода для продувки металла в конвертерах донного дутья, были выполнены в 20 – 30-х годах XX столетия. В СССР первые промышленные исследования по продувке чугуна чистым кислородом проведены М.И. Мозговым в 1933 г.

В 1948 – 1949 г.г. профессора Р. Дюрер и Г. Хольбрюге в Герлафингене (Швейцария) провели исследования по продувке чугуна в конвертере кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму. Ознакомившись с результатами этих исследований, Т. Суесс с сотрудниками в 1949 – 1950 г.г. провели первые успешные эксперименты в г. Линц (Австрия). Промышленные плавки стали в кислородном конвертере верхнего дутья начаты в 1952 г.

В отечественной практике продувка чугуна кислородом сверху впервые была освоена на заводе им. Г.И. Петровского (г. Днепропетровск) в 1956 г.

  1.1 Возникновение и развитие сталеплавильных процессов
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ