Сталеплавильный процесс производства стали из железной руды и / или лома . В сталеплавильном производстве такие примеси , как азот , кремний , фосфор , сера и избыточный углерод (наиболее важная примесь), удаляются из исходного железа, а легирующие элементы, такие как марганец , никель , хром , углерод и ванадий , добавляются для производства различных сортов железа. сталь . Ограничение растворенных газов, таких как азот и кислород, и захваченных примесей (называемых «включениями») в стали также важно для обеспечения качества изделий, отлитых из жидкой стали .
Сталеплавильный существовала на протяжении тысячелетий, но она не была коммерчески на массовом масштабе до конца 14 — го века . Древним процессом выплавки стали был тигельный процесс . В 1850 — х и 1860-х годов процесс Bessemer и процесс Siemens-Martin превратился выплавку стали в тяжелой промышленности . Сегодня существует два основных промышленных процесса производства стали, а именно производство стали в кислородном кислороде , в котором в качестве основного сырья используется жидкий чугун из доменной печи и стальной лом, и производство стали в электродуговой печи (ЭДП), в котором используется стальной лом или прямой металлолом. восстановленное железо (DRI) в качестве основного сырья. Производство стали с использованием кислорода происходит преимущественно за счет экзотермического характера реакций внутри емкости; Напротив, в сталеплавильном производстве из ДСП электрическая энергия используется для плавления твердого скрапа и / или материалов прямого восстановления. В последнее время технология сталеплавильного производства в ЭДП приблизилась к производству стали в кислородной печи, поскольку в этот процесс вкладывается больше химической энергии.
Производство стали — одна из отраслей с наиболее интенсивным выбросом углерода в мире. По оценкам, к 2020 году на сталеплавильное производство будет приходиться от 7 до 9 процентов всех прямых выбросов парниковых газов от ископаемого топлива . Чтобы смягчить последствия глобального потепления, отрасли необходимо будет сократить выбросы. В 2020 году McKinsey определила ряд технологий декарбонизации, включая использование водорода, улавливание и повторное использование углерода, а также максимальное использование дуговых электропечей, работающих на экологически чистой энергии.
История
Сталелитейное производство сыграло решающую роль в развитии древних, средневековых и современных технологических обществ. Ранние процессы производства стали производились в классическую эпоху в Древнем Иране , Древнем Китае , Индии и Риме .
Чугун — твердый, хрупкий материал, с которым трудно работать, тогда как сталь — ковкий, относительно легко формируемый и универсальный материал. На протяжении большей части истории человечества сталь производилась в небольших количествах. С момента изобретения процесса Бессемера в Британии XIX века и последующих технологических разработок в технологии впрыска и управления процессами массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым показателем современного технологического развития. Самый ранний способ производства стали был в расцвете .
Ранние современные методы производства стали часто требовали больших затрат труда и требовали высокой квалификации. Видеть:
Важным аспектом промышленной революции было развитие крупномасштабных методов производства ковочного металла ( пруткового железа или стали). Пудлингование печи первоначально средство получения кованого железа , но позже был применен к производству стали.
Настоящая революция в современном сталеплавильном производстве началась только в конце 1850-х годов, когда бессемеровский процесс стал первым успешным методом производства стали в больших количествах, за которым последовала мартеновская печь .
Современные процессы
Современные сталеплавильные процессы можно разделить на две категории: первичные и вторичные.
Первичное производство стали включает преобразование жидкого чугуна из доменной печи и стального лома в сталь путем выплавки стали в кислородном кислороде или плавления стального лома или железа прямого восстановления (DRI) в электродуговой печи.
Вторичное производство стали включает рафинирование необработанной стали перед разливкой, а различные операции обычно выполняются в ковшах. Во вторичной металлургии добавляются легирующие агенты, снижается содержание растворенных газов в стали, а включения удаляются или химически изменяются, чтобы гарантировать получение высококачественной стали после литья.
Первичное производство стали
Производство стали в кислородном конвертере — это метод первичной выплавки стали, при котором обогащенный углеродом жидкий чугун превращается в сталь. Продувка кислородом расплавленного чугуна снижает содержание углерода в сплаве и превращает его в сталь. Процесс известен как основная из — за химической природы огнеупоров — оксид кальция и оксид магния -Вот линии сосуд , чтобы выдерживать высокую температуру и коррозионный характер расплавленного металла и шлака в емкости. Шлак химия процесса также контролируется , чтобы гарантировать , что примеси , такие как кремний и фосфор, удаляются из металла.
Читайте также: Предельная текучесть стали это
Процесс был разработан в 1948 году Робертом Даррером с использованием усовершенствованного конвертера Бессемера, в котором продувка воздухом заменена продувкой кислородом . Это снизило капитальные затраты заводов и время плавки, а также повысило производительность труда. Между 1920 и 2000 годами потребность в рабочей силе в отрасли снизилась в 1000 раз, с более чем 3 человеко-часов на тонну до 0,003 человеко-часов. Подавляющее большинство стали, производимой в мире, производится с использованием кислородной печи; в 2011 году на его долю приходилось 70% мирового производства стали. Современные печи загружают до 350 тонн чугуна и превращают его в сталь менее чем за 40 минут по сравнению с 10–12 часами в мартеновской печи .
Производство стали в электродуговых печах — это производство стали из лома или чугуна прямого восстановления, выплавленного в электрической дуге . В электродуговой печи партию стали («нагрев») можно запустить путем загрузки лома или железа прямого восстановления в печь, иногда с «горячей пятой» (расплавленной стали после предыдущего плавления). Газовые горелки могут использоваться для плавления груды металлолома в печи. Как и при производстве стали с кислородным азотом, флюсы также добавляются для защиты футеровки корпуса и улучшения удаления примесей. При производстве стали в электродуговых печах обычно используются печи емкостью около 100 тонн, которые производят сталь каждые 40–50 минут для дальнейшей обработки.
Вторичное производство стали
Вторичная выплавка стали чаще всего осуществляется в ковшах . Некоторые из операций, выполняемых в ковшах, включают раскисление (или «гашение»), вакуумную дегазацию, добавление сплава, удаление включений, изменение химического состава включений, десульфуризацию и гомогенизацию. В настоящее время стали обычным делом выполнять металлургические операции в ковшах с газовой мешалкой с электродуговым нагревом в крышке печи. Жесткий контроль ковшевой металлургии связан с производством высококачественной стали с узкими допусками по химическому составу и консистенции.
Производство стали HIsarna
В процессе производства чугуна HIsarna, железная руда обрабатывается почти непосредственно в жидкое железо или горячий металл . Процесс основан на типе доменной печи, называемой циклонной конвертерной печью , что позволяет пропустить процесс производства чугунных окатышей, необходимый для основного процесса производства стали в кислородном конвертере . Без необходимости этого подготовительного этапа процесс HIsarna более энергоэффективен и имеет меньший углеродный след, чем традиционные процессы производства стали.
Выбросы углекислого газа
По оценкам, на сталеплавильное производство приходится от 7 до 9% глобальных выбросов двуокиси углерода. При производстве 1 тонны стали получается около 1,8 тонны углекислого газа. Основная часть этих выбросов возникает в результате промышленного процесса, в котором уголь используется в качестве источника углерода, который удаляет кислород из железной руды в следующей химической реакции, которая происходит в доменной печи :
Fe 2 O 3 (тв) + 3 CO (г) → 2 Fe (тв) + 3 CO 2 (г)
Дополнительные выбросы углекислого газа возникают в результате производства стали , прокалки и горячего дутья в кислородном растворе . Побочным продуктом доменной печи является выхлопной газ доменной печи, содержащий большое количество оксида углерода, который в основном сжигается для выработки электроэнергии, что еще больше увеличивает выбросы диоксида углерода. Улавливание и использование углерода или улавливание и хранение углерода — это предлагаемые методы сокращения выбросов диоксида углерода в сталелитейной промышленности после перехода на производство стали с помощью электродуговой сварки.
Доменная печь
Для производства чистой стали необходимы железо и углерод. Само по себе железо не очень прочное, но низкая концентрация углерода — менее 1 процента, в зависимости от типа стали, придает стали ее важные свойства. Углерод в стали получают из угля, а железо — из железной руды . Однако железная руда представляет собой смесь железа и кислорода, а также других микроэлементов. Чтобы сделать сталь, железо нужно отделить от кислорода и добавить небольшое количество углерода. И то, и другое достигается путем плавления железной руды при очень высокой температуре (1700 градусов по Цельсию или более 3000 градусов по Фаренгейту) в присутствии кислорода (из воздуха) и типа угля, называемого коксом . При таких температурах железная руда выделяет кислород, который уносится углеродом из кокса в виде диоксида углерода.
Fe 2 O 3 (тв) + 3 CO (г) → 2 Fe (тв) + 3 CO 2 (г)
Реакция происходит из-за более низкого (благоприятного) энергетического состояния диоксида углерода по сравнению с оксидом железа, и для достижения энергии активации этой реакции необходимы высокие температуры . Небольшое количество углерода связывается с железом, образуя передельный чугун , который является промежуточным звеном перед сталью, поскольку в нем слишком высокое содержание углерода — около 4%.
Читайте также: Сталь с погружением цинка
Обезуглероживание
Чтобы снизить содержание углерода в передельном чугуне и получить желаемое содержание углерода в стали, передельный чугун переплавляют и продувают кислородом в процессе, называемом кислородным производством стали , который происходит в ковше . На этом этапе кислород связывается с нежелательным углеродом, унося его в виде углекислого газа, являющегося дополнительным источником выбросов. После этого шага содержание углерода в чушках значительно снижается, и получается сталь.
Кальцинирование
Дальнейшие выбросы углекислого газа возникают в результате использования известняка , который плавится при высоких температурах в реакции, называемой кальцинированием , которая имеет следующую химическую реакцию.
Таким образом, углерод в известняке выделяется в виде диоксида углерода, что делает его дополнительным источником выбросов. Оксид кальция действует в качестве химического потока , удаляет примеси в виде шлака . Например, оксид кальция может реагировать, удаляя примеси оксида кремния:
Такое использование известняка для получения флюса происходит как в доменной печи (для получения чугуна), так и при производстве стали с кислородным содержанием основного вещества (для получения стали).
Горячий взрыв
Дальнейшие выбросы углекислого газа возникают в результате горячего дутья , которое используется для увеличения тепла в доменной печи. Горячий дутье нагнетает горячий воздух в доменную печь, где железная руда восстанавливается до чугуна, помогая достичь высокой энергии активации. Температура горячего дутья может составлять от 900 ° C до 1300 ° C (от 1600 ° F до 2300 ° F) в зависимости от конструкции и состояния печи. Нефть , гудрон , природный газ , порошкообразный уголь и кислород также могут быть введены в печь для объединения с коксом, чтобы высвободить дополнительную энергию и увеличить процент присутствующих газов-восстановителей, увеличивая производительность. Если воздух горячего дутья нагревается за счет сжигания ископаемого топлива, что часто имеет место, это дополнительный источник выбросов углекислого газа.
1 первым сталеплавильным процессом производства жидкой стали является процесс
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.
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.
Читайте также: Ванна roca swing 170×75 2201e0000 сталь
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;
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.
- Свежие записи
- Укладываем художественный паркет самостоятельно
- Как лучше всего защитить стены из газоблока от разрушения в первую зиму после строительства дома
- Арболит, он же — опилкобетон
- Особенности звукоизоляции помещений
- Глина с опилками – самый лучший и дешевый способ утепления бетонных стен дома