Топене на стомана: технология, методи, суровини

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Желязна руда се получава по обичайния начин: открит или подземен добив и последващ транспорт за първоначална подготовка, където материалът се раздробява, промива и обработва.

Рудата се излива в доменна пещ и се издухва с горещ въздух и топлина, което я превръща в разтопено желязо. След това се отстранява от дъното на пещта в калъпи, известни като прасета, където се охлажда, за да се получи чугун. Превръща се в ковано желязо или се обработва в стомана по няколко начина.

Какво е стомана?

В началото имаше желязо. Той е един от най-разпространените метали в земната кора. Може да се намери почти навсякъде, в комбинация с много други елементи, под формата на руда. В Европа работата с желязо датира от 1700 г. пр.н.е.

През 1786 г. френските учени Бертолет, Монж и Вандермонд точно определят, че разликата между желязо, чугун и стомана се дължи на различното съдържание на въглерод. Въпреки това стоманата, направена от желязо, бързо се превръща в най-важния метал на индустриалната революция. В началото на 20-ти век световното производство на стомана е 28милиона тона - това е шест пъти повече, отколкото през 1880 г. До началото на Първата световна война производството му е 85 милиона тона. В продължение на няколко десетилетия той на практика замени желязото.

Съдържанието на въглерод влияе върху характеристиките на метала. Има два основни вида стомана: легирана и нелегирана. Стоманената сплав се отнася до химически елементи, различни от въглерода, добавен към желязото. По този начин, сплав от 17% хром и 8% никел се използва за създаване на неръждаема стомана.

В момента има повече от 3000 каталогизирани марки (химични състави), без да се броят тези, създадени да отговарят на индивидуалните нужди. Всички те допринасят за превръщането на стоманата в най-подходящия материал за предизвикателствата на бъдещето.

Суровини за производство на стомана: първични и вторични

Претопяването на този метал с помощта на много компоненти е най-разпространеният метод за добив. Зарядните материали могат да бъдат както първични, така и вторични. Основният състав на заряда, като правило, е 55% чугун и 45% от останалия метален скрап. Като основен елемент на сплавта се използват феросплави, преработен чугун и търговски чисти метали, като правило всички видове черни метали се класифицират като вторични.

Желязната руда е най-важната и основна суровина в производството на желязо и стомана. За производството на един тон чугун са необходими около 1,5 тона от този материал. За производството на един тон чугун се използват около 450 тона кокс. Много железарски заводиизползва се дори въглен.

Водата е важна суровина за производството на желязо и стомана. Използва се главно за гасене на кокс, охлаждане на доменни пещи, производство на пара на вратите на пещта за въглища, работа на хидравлично оборудване и изхвърляне на отпадъчни води. За производството на тон стомана са необходими около 4 тона въздух. Флюсът се използва в доменната пещ за извличане на замърсители от топилната руда. Варовикът и доломитът се комбинират с извлечените примеси, за да образуват шлака.

Доменни и стоманени пещи, облицовани с огнеупорни материали. Използват се за облицовъчни пещи, предназначени за топене на желязна руда. За формоване се използва силициев диоксид или пясък. Цветните метали се използват за производството на стомана от различни степени: алуминий, хром, кобалт, мед, олово, манган, молибден, никел, калай, волфрам, цинк, ванадий и др. Сред всички тези феросплави манганът се използва широко в производството на стомана.

Отпадъците от желязо от демонтирани фабрични конструкции, машини, стари превозни средства и др. се рециклират и се използват широко в индустрията.

Желязо за стомана

Топенето на стомана с чугун е много по-често срещано, отколкото с други материали. Чугунът е термин, който обикновено се отнася до сив чугун, но също така се идентифицира с голяма група феросплави. Въглеродът съставлява около 2,1 до 4 тегл.%, докато силиций обикновено е 1 до 3 тегл.% в сплавта.

Топенето на желязо и стомана се извършва при температураточка на топене между 1150 и 1200 градуса, което е с около 300 градуса по-ниско от точката на топене на чистото желязо. Чугунът също така показва добра течливост, отлична обработваемост, устойчивост на деформация, окисляване и леене.

Стоманата също е сплав от желязо с променливо съдържание на въглерод. Съдържанието на въглерод в стоманата е 0,2 до 2,1 масови % и това е най-икономичният легиращ материал за желязото. Топенето на стомана от чугун е полезно за различни инженерни и структурни цели.

Желязна руда за стомана

Процесът на производство на стомана започва с преработката на желязна руда. Скалата, съдържаща желязна руда, се раздробява. Рудата се добива с помощта на магнитни ролки. Дребнозърнестата желязна руда се преработва в едрозърнести буци за използване в доменна пещ. Въглищата се рафинират в коксова пещ, за да се получи почти чиста форма на въглерод. След това сместа от желязна руда и въглища се нагрява, за да се получи стопено желязо или чугун, от който се прави стомана.

В главната кислородна пещ, стопената желязна руда е основната суровина и се смесва с различни количества скрап и сплави за производство на различни марки стомана. В електрическа дъгова пещ рециклираният стоманен скрап се топи директно в нова стомана. Около 12% от стоманата е направена от рециклиран материал.

Технология за топене

Стопенето е процес, чрез който се получава метал или под формата на елемент,или като просто съединение от неговата руда чрез нагряване над точката на топене, обикновено в присъствието на окислители като въздух или редуциращи агенти като кокс.

В технологията за производство на стомана металът, който се комбинира с кислород, като железен оксид, се нагрява до висока температура и оксидът се образува в комбинация с въглерод в горивото, което се освобождава като въглероден окис или въглерод диоксид. Други примеси, общо наречени вени, се отстраняват чрез добавяне на поток, с който се комбинират, за да образуват шлака.

Модерното производство на стомана използва реверберационна пещ. Концентрираната руда и поток (обикновено варовик) се зареждат отгоре, докато разтопеният мат (съединение на мед, желязо, сяра и шлака) се изтегля от дъното. Необходима е втора топлинна обработка в конверторна пещ, за да се отстрани желязото от матовото покритие.

Кислородно-конвекторен метод

Процесът BOF е водещият процес за производство на стомана в света. Световното производство на конверторна стомана през 2003 г. възлиза на 964,8 милиона тона или 63,3% от общото производство. Производството на конвертори е източник на замърсяване на околната среда. Основните проблеми при това са намаляването на емисиите, заустванията и намаляването на отпадъците. Тяхната същност се крие в използването на вторична енергия и материални ресурси.

Екзотермичната топлина се генерира от реакции на окисление по време на продухване.

Основният процес на производство на стомана, използвайки нашите собствениакции:

• Стопеното желязо (понякога наричано горещ метал) от доменна пещ се излива в голям огнеупорен съд, наречен черпак.
• Металът в черпака се изпраща директно към основното производство на стомана или етап на предварителна обработка.
• Кислородът с висока чистота при налягане от 700-1000 килопаскала се инжектира със свръхзвукова скорост върху повърхността на желязната вана чрез водно охладено копие, което е окачено в съд и се държи на няколко фута над ваната.

Решението за предварителна обработка зависи от качеството на горещия метал и желаното крайно качество на стоманата. Първите подвижни долни конвертори, които могат да се отделят и ремонтират, все още се използват. Копията, използвани за духане, са променени. За да се предотврати задръстването на копието по време на издухване, са използвани прорезни яки с дълъг заострен меден връх. Върховете на върха, след изгаряне, изгарят CO, образуван при издухване в CO_{2 и осигуряват допълнителна топлина. За отстраняване на шлаката се използват стрели, огнеупорни топки и детектори за шлака.}

Кислородно-конвекторен метод: предимства и недостатъци

Не изисква разходите за оборудване за пречистване на газ, тъй като образуването на прах, т.е. изпаряването на желязо, се намалява 3 пъти. Поради намаляването на добива на желязо се наблюдава увеличение на добива на течна стомана с 1,5 - 2,5%. Предимството е, че интензивността на издухване при този метод се увеличава, което дававъзможността за увеличаване на производителността на преобразувателя с 18%. Качеството на стоманата е по-високо, тъй като температурата в зоната на продухване е по-ниска, което води до по-малко образуване на азот.

Недостатъците на този метод на топене на стомана доведоха до намаляване на потреблението, тъй като нивото на потребление на кислород се увеличава със 7% поради високия разход при изгаряне на гориво. В рециклирания метал има повишено съдържание на водород, поради което е необходимо известно време след края на процеса, за да се извърши продухване с кислород. Сред всички методи кислородният преобразувател има най-високо образуване на шлака, причината е невъзможността да се следи процеса на окисление вътре в оборудването.

Открит метод

Откритият процес през по-голямата част от 20-ти век беше основната част от обработката на цялата стомана, произведена в света. Уилям Сименс, през 1860-те, търси начин за повишаване на температурата в металургична пещ, възкресявайки старото предложение за използване на отпадната топлина, генерирана от пещта. Той нагрява тухлата до висока температура, след което използва същия път, за да въведе въздух в пещта. Предварително загрятият въздух повишава значително температурата на пламъка.

Природен газ или пулверизирани тежки масла се използват като гориво; въздухът и горивото се нагряват преди изгаряне. Пещта е заредена с течен чугун и стоманен скрап, заедно с желязна руда, варовик, доломит и флюси.

Самата печка е направена отсилно огнеупорни материали като магнезитови огнища. Пещите с открита печка тежат до 600 тона и обикновено се монтират на групи, така че масивното спомагателно оборудване, необходимо за зареждане на пещи и обработка на течна стомана, може да се използва ефективно.

Въпреки че процесът на открито е почти напълно заменен в повечето индустриализирани страни от основния кислороден процес и електродъговата пещ, той прави около 1/6 от цялата стомана, произведена в света.

Предимства и недостатъци на този метод

Предимствата включват лекота на използване и лекота на производство на легирана стомана с различни добавки, които придават на материала различни специализирани свойства. Необходимите добавки и сплави се добавят непосредствено преди края на топенето.

Недостатъците включват намалена ефективност в сравнение с кислородно-конверторния метод. Също така, качеството на стоманата е по-ниско в сравнение с други методи за топене на метал.

Електрически метод за производство на стомана

Модерният метод за топене на стомана, използвайки нашите собствени резерви, е пещ, която загрява зареден материал с електрическа дъга. Индустриалните дъгови пещи варират по размер от малки агрегати с капацитет от около един тон (използвани в леярни за производство на железни изделия) до 400 тона, използвани във вторичната металургия.

дъгови пещи,използван в изследователските лаборатории може да има капацитет от само няколко десетки грама. Температурите на индустриалната електродъгова пещ могат да достигнат до 1800 °C (3, 272 °F), докато лабораторните инсталации могат да надхвърлят 3000 °C (5432 °F).

Дъговите пещи се различават от индукционните по това, че зареждащият материал е директно изложен на електрическа дъга и токът в клемите преминава през заредения материал. Електрическата дъгова пещ се използва за производство на стомана, състои се от огнеупорна облицовка, обикновено с водно охлаждане, голям размер, покрита с прибиращ се покрив.

Фурната е разделена основно на три секции:

• Черупка, състояща се от странични стени и долна стоманена купа.
• Огнището се състои от огнеупорен материал, който изважда долната купа.
• Покривът с огнеупорна облицовка или с водно охлаждане може да бъде направен като сферична секция или пресечен конус (конична секция).

Предимства и недостатъци на метода

Този метод заема водеща позиция в областта на производството на стомана. Методът на топене на стомана се използва за създаване на висококачествен метал, който е или напълно лишен от, или съдържа малко количество нежелани примеси като сяра, фосфор и кислород.

Основното предимство на метода е използването на електричество за отопление, така че можете лесно да контролирате температурата на топене и да постигнете невероятна скорост на нагряване на метала. Автоматизираната работа ще станеприятно допълнение към отличната възможност за висококачествена обработка на различни метални скрап.

Недостатъците включват висока консумация на енергия.