Производство стали: методы, сталеплавительные печи и станы

Сталеплавильные печи

Для производства стали на предприятиях используется один из двух процессов: основная сталеплавильная печь с подачей кислорода в факел или ванну (BOF) или дуговая плавильная печь (EAF).

Основная сталеплавильная печь с подачей кислорода в факел или ванну (BOF)

Основная сталеплавильная печь с подачей кислорода в факел или ванну - это процесс, в котором смесь лома (от 25 до 30 процентов) и горячего металла (от 75 до 70 процентов) из доменной печи подвергается воздействию кислорода, который с высокой скоростью подается в ванну. Такие печи могут быть с верхним дутьем, с нижним дутьем или их комбинацией. Основной принцип одинаков во всех случаях; кислород соединяется с нежелательными элементами, образуя оксиды, которые либо покидают ванну в виде газов, либо попадают в слой шлака сверху ванны. Это очень высокая производительность процесса; обычное 220-тонное тепло может быть произведено за 45 минут или меньше.

Основная сталеплавильная печь с подачей кислорода в ванну (BOF)

Дуговая плавильная печь (EAF).

Еще один широко используемый сегодня процесс производства стали - это дуговая плавильная печь. Загрузка печи, как правило, на 100% состоит из лома, а в качестве источника тепла для процесса рафинирования используется электрическая дуга. Дуговая плавильная печь, как правило, не используется для стали глубокой вытяжки или стали очень малой толщины из-за ее неспособности снизить уровни остаточных элементов, обычно присутствующих в ломе черных металлов, до требуемых низких уровней. Однако там, где тщательно отобран, имеется качественный лом; сталь, произведенная в дуговой плавильной печи, может быть вполне удовлетворительной для многих применений.

Отливка, горячая прокатка и вытравливание

Как только тепло стали отвечает требуемым химическим и температурным требованиям, печь для выплавки стали выпускают, а расплавленную сталь разливают в ковш. Сталь может быть подвергнута дополнительной обработке в отдельном сосуде, таком как дегазатор, для точной настройки ее свойств, после чего она разливается.

Непрерывная разливка

Процесс непрерывной разливки превращает расплавленную сталь в ковше в слябовую заготовку за одну непрерывную операцию. Расплавленную сталь выливают из ковша в разливочное устройство или в сосуд для хранения наверху непрерывного литейщика. Сталь дозируется из разливочного устройства в открытую форму с водяным охлаждением для первоначального затвердевания, из которого она извлекается, поддерживаемая массивным набором валков и направляющим оборудованием. По мере того, как сталь медленно движется через непрерывную установку, она превращается из расплавленного состояния в твердую форму слябовой заготовки. Превращение расплавленной стали в заготовки измеряется минутами, а не днями. Этот процесс делает заготовку с превосходными качественными признаками и очень энергоэффективной и экономичной.

Непрерывный широкополосный стан

Слябовые заготовки, хотя они и остаются горячими в литейном цехе или слябильном цехе или после повторного нагрева, уменьшаются в толщине и значительно удлиняются при прокатке через ряд черновых и чистовых клетей, включающих в себя стан горячей прокатки. Полоса проходит через ряд клетей, каждая из которых состоит из четырех или шести рулонов в вертикальной пачке. Два валка, соприкасающиеся с полосой, называются рабочими валками, а более крупные валки, которые оказывают равномерное давление на рабочие валки, называются опорными валками. Стенды синхронизированы, чтобы компенсировать постоянно увеличивающиеся скорости, поскольку материал удлиняется и уменьшается в размере. При изготовлении изделий из оловянного проката или других легких калибровочных изделий слябовая заготовка поступает в стан горячей прокатки толщиной от 7 ¹/₂ до 9 дюймов и превращается в горячекатаную ленту толщиной примерно от 0,070 до 0,10 дюйма, теперь в виде рулона. Тщательный контроль температуры чистовой обработки на последнем прокатном стенде и температуры намотки необходим для достижения оптимальных свойств в конечном продукте.

Вытравливание и промасливание

Затем горячекатаная лента должна быть очищена от оксидов, образующихся в процессе горячей прокатки. Этот процесс, называемый вытравливанием, пропускает горячекатаную ленту через ряд резервуаров, заполненных разбавленной соляной или серной кислотой. После удаления оксидов травильный блок затем ополаскивает, сушит и смазывает полосу как для защиты от ржавчины, так и для добавления смазки для дальнейшей обработки, и откатывает полосу, все в непрерывном режиме.

Холодная прокатка и отжиг

Стан холодной периодической прокатки

Горячекатаный вытравленный и смазанный маслом бандаж теперь должен быть уменьшен до более легких калибров. Это выполняется на тандемной мельнице холодного восстановления. Эти мельницы состоят из серии из 5 или 6 клетей с валками высотой 4 или 6, установленных в тандеме. Когда полоса проходит через прокатный стан, она непрерывно уменьшается. Горячекатаную ленту, загружаемую в холодную клеть, можно уменьшить до номинального калибра до 0,006 дюйма, что составляет примерно 80-процентное сокращение. Продукт, выходящий из стана холодной прокатки, по праву называют «полностью твердым». Материал в этом состоянии слишком твердый или жесткий для формования и должен быть отожжен (то есть размягчен), чтобы получить желаемую прочность и формуемость.

Непрерывный отжиг

Полностью жесткая катушка должна быть очищена от всех растворов для прокатки и охлаждающей жидкости, используемых на мельнице холодного восстановления, прежде чем она будет отожжена или размягчена. Эта очистка проводится электролитически, так как полоса проходит через щелочную ванну. Очистка производится либо на отдельном блоке для отжига продукта в коробке, либо как часть линии непрерывного отжига.

Отжиг в камере (или периодический отжиг) для более мягкого отпуска осуществляется путем помещения очищенных катушек в печь для отжига в камере. Катушки укладываются на основания, накрываются печью, герметизируются, затем подвергаются тщательно контролируемому температурному циклу и атмосферной среде. Катушки медленно нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре в течение заданного времени, затем охлаждают. И температура, и продолжительность цикла являются критическими определяющими факторами конечных свойств катушки.

В линии непрерывного отжига полностью жесткая катушка разматывается и непрерывно подается через блок, который очищает полосу, нагревает до определенной температуры, поддерживает эту температуру в течение определенного периода времени, затем охлаждает полосу и откатывается. Этот цикл измеряется в минутах по сравнению с днями для процесса периодического отжига. Из-за короткого цикла нагрева процесс лучше всего подходит для более жестких, более высоких требований к прочности. Непрерывно отожженная сталь проявляет очень однородные свойства по всей катушке.

Дрессировочная клеть

Одиночный восстановленный продукт обрабатывается на 2-х клеточном дрессировочной стане с высокой температурой 4, которая улучшает плоскостность и форму, придает конечную желаемую жесткость (или отпуск) и придает материалу желаемую текстуру поверхности или отделку.

Более конкретно, в дрессировочной клети конечный калибр слегка уменьшается не более чем на 1-1 / 2 процента от его первоначальной толщины. Это минимальное уменьшение гарантирует, что форма и механические свойства, а именно твердость, находятся в пределах спецификации, и оно устраняет прерывистую деформацию или волнистость при последующем формовании. Кроме того, поверхность или структура поверхности стали могут варьироваться от очень гладкой до очень шероховатой с помощью валков различной шероховатости на дрессировочной клети. Отделка материала определяется заказчиком и зависит от конечного использования продукта и производственных процессов конечного пользователя.

Стан двойной холодной прокатки

Для калибров жестепрокатных станов обычно ниже 0,0077 дюйма используется трехэтапная производственная процедура, которая включает холодное восстановление, отжиг и второе холодное восстановление до конечного калибра. Такие продукты не могли быть изготовлены на обычном стане холодной прокатки с 5 или 6 стендами из-за чрезмерно высоких сокращений, которые потребовались бы от обычных датчиков с горячей полосой. Станы двойной холодной прокатки, как правило, представляют собой станы с двумя или тремя клетями, с четырьмя высокими, причем большая часть измельчения производится на первом стенде. Можно использовать отжиг в коробке или непрерывный отжиг, при этом последний дает немного более высокую прочность готовому продукту. Количество второго восстановления будет варьироваться от 15 до 35 процентов от первоначальной толщины, в зависимости от желаемых конечных свойств. Эти стали обладают высокой прочностью, но имеют достаточную формуемость для производства.

Вальцешлифование

Валки, используемые на станах горячей и холодной прокатки, должны выдерживать высокие нагрузки, температуры и деформации, возникающие при прокатке, при этом придавая полосе тщательно контролируемую форму и чистоту поверхности. После обычной механической обработки до почти конечных размеров валки (которые могут быть из чугуна, литой стали или кованой стали в зависимости от применения) подвергаются точной шлифовке в рулонной шлифовальной машине с компьютерным управлением. Операция шлифования обеспечивает правильную форму ствола валка и желаемую текстуру (шероховатость) его поверхности. Для валков с более шероховатыми поверхностями, которые могут быть получены шлифованием, дробеструйная обработка с использованием чугуна или стальной дроби используется в качестве конечной операции чистовой обработки.

Обзор физической металлургии

Ковалентная связь

Свойства материалов могут быть связаны с природой связи в атомном масштабе. С точки зрения химии, тип связи происходит в трех основных схемах.

Ионная связь происходит от взаимного притяжения положительных и отрицательно заряженных атомов или ионов. Поскольку эти притяжения относительно сильны, движение атомов под действием внешней силы незначительно, и общий эффект заключается в том, что материал не является пластичным или хрупким. Примерами материалов являются соли и керамика.

Ковалентное связывание происходит, когда электроны из атомов используются несколькими атомами. Прочность связи варьируется и может быть относительно слабой, как в случае с органическими молекулами, и очень сильной, как в случае с алмазами. Полимерные материалы обычно попадают в этот класс связей.

Металлическая связь происходит, когда атомы с положительными ионными ядрами делят электроны с любым числом атомов. Электроны довольно подвижны, поскольку они образуют электронное «облако» или «газ».

Кристаллическая структура

Металлы - это материалы, в которых происходит металлическая связь, а атомы располагаются в виде регулярно повторяющейся кристаллической структуры. Геометрический повторяющийся рисунок может отличаться от одного элемента к другому, но повторяющийся рисунок остается последовательным. В результате этого повторяющегося рисунка атомы выстраиваются в параллельные плоскости, которые эффективно «скользят» друг над другом при воздействии внешней силы. Это скользящее движение является характеристикой "пластичности" металлов. Когда плоскости атомов могут скользить относительно легко, металл считается пластичным или мягким. Когда плоскости атомов сталкиваются с препятствиями для скольжения, металл считается хрупким или твердым. Управляя факторами, которые влияют на скольжение металлических плоскостей, можно изменять свойства металлов.

Методы управления механическими свойствами

Как указано, легкость или сложность, с которой металлы деформируются, связана с их способностью подвергаться «скольжению» на атомном уровне. Есть несколько факторов, которые влияют на способность самолетов к скольжению. Три общих фактора:

1. Размер зерна - зерна представляют собой кристаллы с регулярным рисунком параллельных плоскостей. Границы существуют там, где меняются направления наклона. Эти разрывы определяют границу зерна, а также служат барьером для «скольжения». Чем больше площадь границы зерна (меньший диаметр зерна), тем больше сопротивление скольжению или деформации, и тем более твердым кажется материал. Термическая обработка в процессе производства (горячая прокатка, отжиг) - это методы, которые влияют на размер зерна.

2. Затвердевание раствора - размеры атомов различны для каждого элемента. В случае стали замена атома железа атомом марганца приводит к искажению кристаллической структуры, что затрудняет «скольжение». Такие эффекты контролируются легированием или «химией» стали.

3. Деформационное упрочнение - поскольку скольжение происходит во время деформации металла, искажение кристаллической структуры делает все более трудным дальнейшее скольжение. Этот эффект иногда называют «холодной работой». Высокие свойства при растяжении жестяной пластины с двойным восстановлением являются хорошим примером этого механизма «холодной обработки».