Получение стали. 
Технологические процессы в машиностроении

Сталь является основным материалом, применяемым для создания современной техники. Это объясняется тем, что она обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет приданную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработки. Кроме того, основной компонент стали — железо — является широко распространенным элементом в земной коре.

Сталь производят в различных по принципу действия, трудоемкости, техническим возможностям металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических дуговых и индукционных печах и др. Основными материалом для производства стали по традиционным технологиям являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей значительно ниже, чем в чугуне (табл. 4.1). Общая схема технологических процессов производства стали показана на рис. 4.2.

Таблица 4.1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Рис. 4.2. Схема технологических процессов производства стали:

ЭШП — электрошлаковый переплав; ВДП — вакуум но-дуговой переплав; ЭЛП — электронно-лучевая печь; ПДП — плазменно-дуговой переплав.

Производство стали по способу Бессемера

Одним из первых промышленно освоенных способов производства стали, примененным еще в середине XIX в., является способ Бессемера. По нему передел чугуна в сталь проводится продуванием воздуха через расплавленный горячий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счет теплоты, выделяющейся при экзотермических реакциях окисления кремния, марганца и других элементов. Конвертер Бессемера (рис. 4.3) представляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне имеются отверстия, через которые подается под давлением 0,12−0,125 МПа воздух для продувки. Расход воздуха составляет в среднем около 300 м³ на 1 т залитого чугуна. Конвертер работает периодически. Повернув его в горизонтальное положение, заливают чугун и подают воздух, затем поворачивают вертикально. Бессемеровский процесс протекает в три этапа. Первый заключается в основном в окислении железа, кремния, марганца. Второй начинается при температуре 1500°С: происходит интенсивное окисление углерода кислородом оксида железа (II) и воздуха.

Рис. 4.3. Конвертер Бессемера:

а — внешний вид; б — схема процесса; в — разливка готовой стали Образующийся оксид углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 м. Продолжительность второго этапа 4−5 мин. Третий этап начинается с затуханием пламени от горения оксида углерода: происходит образование металла. Подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение и вводят раскислители (ферромарганец или ферросилиций). Готовую сталь выливают в ковш (рис. 4.3, в) и направляют на разливку.

Процесс Бессемера протекает очень быстро (в течение 15 мин), поэтому производительность метода велика. Но этим способом можно переделывать в сталь не все сорта чугуна. Чугун для бессемерования должен содержать около 2% кремния, выгорание которого является источником теплоты, необходимой для осуществления процесса, а содержание серы и фосфора должно быть минимальным, так как эти примеси не удаляются в ходе процесса. К тому же значительное количество железа окисляется и теряется (велик «угар» железа).

Полученный в конвертере расплавленный металл содержит значительное количество растворенного оксида железа (II), что отрицательно сказывается на качестве стали, придавая ей хрупкость (красноломкость). Еще один недостаток конвертерной стали — повышенное содержание в ней азота. В производстве стали этим способом в последние годы успешно используется кислородное дутье или дутье воздухом, обогащенным кислородом. Это сокращает продолжительность процесса, что, в свою очередь, приводит к снижению содержания азота в стали.