Способи виплавляння сталі.

У промисловості сталь виплав­ляють трьома способами:

· мартенівським,

· киснево-конвертерним,

· електротермічним.

Мартенівський спосіб здійснюється в полуменевій відбивній печі, в якій використовують регенерацію теплоти відхідних газів. Піч має склепіння, передню, задню та бокові сті­ни, під печі та регенератори (по два з кожного боку). В пе­редній стінці розміщені вікна для завантаження шихти, в задній ‒ отвори для випуску сталі і шлаку. Через вікна у піч завантажують чавун, скрап (відходи доменного і сталеливар­ного виробництва: чавун і сталь, розлиті під час випуску, застиглий у ковші метал, брухт, обрізки, стружку, що йдуть на переплавлення), флюси і деяку кількість руди.

У піч вводять через одну пару регенераторів попередньо нагріті повітря і паливо (природний газ). При згорянні палива утворюється факел з температурою 1800‒1900°С. Метал і руда плавляться, у роз­плав вводять добавки, потрібні для добування сталі заданого складу. Вигоряння домішок відбувається частково за рахунок кисню повітря, яке подають через фурми в склепінні печі. Силь­ний струмінь повітря, збагаченого киснем, пробиває шар шлаку і надходить безпосередньо до рідкого металу. Продукти горіння палива з температурою 1600°С відводяться через другу пару регенераторів. Через кожні 20‒30 хв поворотом клапанів напрямленість потоків газу і повітря, а також продуктів згоряння змінюється. Так відбувається регенерація теплоти.

Нині нові мартенівські печі не будують. Але ще значна ча­стина сталі виплавляється у мартенах, тому існує ряд заходів з інтенсифікації їх роботи. Так, збільшення економічності мартенів і підвищення знімання сталі з 1 м² досягають викори­станням повітря, збагаченого киснем (об’ємна частка О₂ 30%), застосуванням висококалорійного природного газу, перебудовою звичайних мартенівських печей на двованні.

Двованні печі характеризуються незначним витра­чанням палива і короткочасністю плавки. Вони не потребують регенераторів і працюють так: спочатку в одну з ванн зали­вають рідкий чавун з ковша у вікно по жолобу і продувають його киснем із фурм. При цьому виділяється СО, який відразу ж згоряє під склепінням ванни. Продукти горіння надходять до другої ванни, розплавляють у ній шихту (скрап + флюси), нагріваючи метал до високої температури. Наприкінці процесу спалюють також і природний газ. Після випуску сталі з першої ванни в неї завантажують рідкий чавун, скрап і флюси, а в другій ванні починають продування із зворотним рухом газів. Плавка триває близько 2 год, а продуктивність двованної печі (по 300 т в кожній) ‒ до 1,2 млн. тонн за рік.

Киснево-конвертерний спосіб здійснюється в кисневих кон­вертерах. Це апарати періодичної дії. Вони виготовле­ні із стальних зварених між собою листів і викладені зсередини вогнетривкою цеглою. Зверху через горловину конвертер заван­тажують брухтом і рідким чавуном і вводять кисень (99,5%) за допомогою фурми, що охолоджується водою. Струмінь кисню під тиском 0,9‒1,4 МПа пронизує метал, зумовлюючи його циркуляцію і перемішування зі шлаком.

Особливістю процесу є те, що він ґрунтується на використан­ні теплоти екзотермічних реакцій, які відбуваються, і не потре­бує зовнішнього джерела теплоти. Завдяки великій поверхні стикання чавуну з киснем і високій температурі реакції окиснення Силіцію, Мангану, Карбону та інших елементів відбу­ваються набагато інтенсивніше, ніж під час мартенівського спо­собу. Плавка в конвертері триває 35‒40 хв, а швидкісна марте­нівська плавка ‒ 6‒9 год. Тут також є можливість добавляти в конвертер брухт, руду, флюси. При однаковій продуктивності капітальні витрати на будівництво киснево-конвертерного цеху на 26‒85% нижчі, а собівартість сталі на 5‒7% менша, ніж при застосуванні мартенівського способу.

Електротермічний спосіб відомий з 1880 р. Він здійснюється в електричних дугових або індукційних печах. Сировиною є мартенівська сталь, брухт із легуючими добавками (нікелю, ферохрому, ферованадію, феровольфраму). Для продування роз­плаву використовують чистий кисень (азот повітря погіршує якість сталі). Застосування електроенергії як джерела теплоти дає можливість підтримувати в печах температуру 2000°С і точніше її регулювати, збільшувати кількість флюсів для повні­шого видалення фосфору і сірки. Електропечі дають змогу виплавляти сталь у відновній, окиснювальній або нейтральній атмосфері й у вакуумі.

У промисловості застосовують переважно дугові печі, в яких теплота утворюється внаслідок виникнення елект­ричної дуги між електродами і шихтою. Продукт електроплавки ‒ високоякісні леговані сталі різноманітного призна­чення.

7. Очищення сталі і способи її переробки.

Сталь, випущена з конвертера або мартенівської печі у ківш, може зазнавати дальшої обробки для поліпшення якості. Най­більш поширеними у виробництві є такі методи рафінування сталі:

а) вакуумна обробка. З метою якнайповнішого видалення неметалевих включень і розчинених у сталі газів (найчастіше водню) рідку сталь заливають у ківш, який ставлять у камеру з вогнетривкої цегли. Камеру закривають кришкою і створюють у ній вакуум. Це дає можливість майже повністю усунути розкиснення, бо у вакуумі залишкова кількість вуглецю відновлює оксид феруму (II) FeO;

б) аргоново-киснева продувка. Метал для виплавляння нержавіючих сталей додатково продувають аргоном і киснем, що сприяє майже повному видаленню домішок;

в) обробка синтетичними шлаками. У ківш поміщають рід­кий синтетичний шлак певного складу (наприклад, масова частка оксидів в якому становить 53% СаО, 40% Аl₂О₃, 3% SiO₂, 1% FeO) і виливають сталь з височини. Вона при цьому ін­тенсивно перемішується із шлаком, що сприяє видаленню домішок;

г) електрошлакове переплавлення сталі. Зливок, що є електродом, занурюють у синтетичний шлак і роз­плавляють його. Краплі металу, проходячи крізь шлак, очищаються і стікають у кристалізатор, де утворюється зливок рафінованої сталі.

Основна частина сталі переробляється у вироби способом механічної обробки. Виплавлену в печі сталь випускають у ківш. З нього сталь розливають у чавунні форми-виливниці, де вона кристалізується і застигає у вигляді зливків. Їх виймають з виливниць, нагрівають і прокатують на обтискних станах (блюмінгах, слябінгах). При цьому зливки набувають певної форми ‒ утворюється заготовка, яка далі переробляється про­катом у рейки, балки, листи, дріт та ін. Заготовка переробляєть­ся у вироби також штампуванням і куванням. Отже, переробка рідкої сталі на заготовки складається з багатьох операцій, кожна з яких виконується періодично і пов’язана з великими витратами сталі, палива і праці.

Великим досягненням є розробка способу безперервного роз­ливання сталі, який нині широко впроваджується. Для реалі­зації цього способу використовують спеціальні установки, в яких метал безпосередньо перетворюється на заго­товку. Утворений зливок майже зовсім не має раковин, тріщин та інших дефектів, звичайних для злитків, які добуті у вилив­ницях. Через це вихід прокату зростає порівняно з попереднім періодичним способом майже на 12%, капіталовкладення значно нижчі, ніж для обтискних станів.