Основні виробничі процеси сталеливарної промисловості

Основні виробничі процеси сталеливарної промисловості

Сталь, як основа сучасної промисловості, лежить в основі інфраструктури, виробництва, транспорту та багатьох інших секторів у всьому світі. Його виробництво — це складний багато-етапний процес, який перетворює сирі мінерали на високо-металеві матеріали. Основний робочий процес складається з чотирьох взаємопов’язаних етапів: виробництво чавуну, виробництво сталі, безперервне лиття та прокатка сталі. Кожен крок відіграє вирішальну роль у вдосконаленні складу, структури та властивостей матеріалу, забезпечуючи його відповідність різноманітним вимогам кінцевих-користувачів. Нижче наведено детальну розбивку цих ключових процесів

1. Виробництво заліза: добування металевого заліза з руд

Виробництво чавуну є основоположним кроком, на якому залізовмісні-руди перетворюються на рідкий чавун (гарячий метал), основну сировину для виробництва сталі. Серцем цього процесу є доменна піч (ДП), висока циліндрична споруда зазвичай 30–60 метрів заввишки, футерована жаростійкими вогнетривкими матеріалами, які витримують екстремальні температури (1300–1500 градусів).​

Сировина, яка використовується у виробництві чавуну, включає три основні компоненти: залізні руди (агломерат і кускова руда, які містять 55–65% оксиду заліза), кокс (багате на вуглець -паливо, отримане з вугілля, яке виконує подвійну роль як джерело тепла та відновник) і флюс (головним чином вапняк, який реагує з домішками, утворюючи шлак). Ці матеріали змішуються в точних пропорціях і подаються в доменну піч зверху через дзвонову або-бездзвонову систему завантаження. Тим часом попередньо нагріте повітря (гаряче дуття) впорскується через сопла, які називаються фурмами, у нижній частині печі, запалюючи кокс і створюючи атмосферу, що знижує високу-температуру.​

У цьому середовищі відбувається низка хімічних реакцій: кокс згорає з утворенням оксиду вуглецю (CO), який реагує з оксидом заліза (Fe₂O₃) у рудах, відновлюючи його до металевого заліза. Вапняк розкладається на оксид кальцію (CaO), який поєднується з кремнеземом (SiO₂), глиноземом (Al₂O₃) та іншими пустими мінералами в рудах, утворюючи розплавлений шлак-побічний продукт, який плаває поверх рідкого чавуну через його меншу щільність. Через 6–8 годин плавки розплавлений чавун (з вмістом вуглецю 3,5–4,5 % разом із домішками, такими як сірка, фосфор і марганець) випускається з печі через випускний отвір, а шлак видаляється окремо для переробки або промислового використання. Сучасні підприємства з виробництва чавуну часто використовують енергозберігаючі технології, такі як впорскування пиловугільного палива (PCI) або впорскування природного газу, щоб зменшити споживання коксу та викиди вуглецю.​

2. Виробництво сталі: очищення домішок і легування

Виробництво сталі — це процес очищення чавуну шляхом видалення надлишку вуглецю та шкідливих домішок (сірки, фосфору, кисню тощо) з одночасним регулюванням його хімічного складу легуючими елементами для досягнення бажаних механічних властивостей (міцності, в’язкості, стійкості до корозії). Двома домінуючими технологіями виробництва сталі в усьому світі є виробництво сталі в кисневих печах (BOF) і виробництво сталі в електродугових печах (EAF).​

Виробництво сталі в кисневих печах (BOF).

На конвертерне виробництво, що становить приблизно 70% світового виробництва сталі, використовується рідкий чавун (70–80% шихти) і сталевий брухт (20–30%) як сировина. Процес відбувається в перекидному конвертері з-футеруванням вогнетривкою ємністю 100–400 тонн. Охолоджувана водою киснева фурма опускається в конвертер, надуваючи поверхню розплавленого заліза кисень високої{11}}чистоти (99,5%+) із надзвуковою швидкістю. Кисень енергійно реагує з вуглецем (утворюючи CO та CO₂), кремнієм, марганцем і фосфором, утворюючи інтенсивне тепло (до 1650 градусів), що підтримує процес очищення без зовнішнього надходження енергії.​

Для контролю складу шлаку та ефективного видалення сірки та фосфору під час видування додають такі флюси, як вапно (CaO) та доломіт. Цикл рафінування триває 20–40 хвилин, і оператори контролюють процес за допомогою вимірювань температури та відбору хімічних проб, щоб переконатися, що сталь відповідає цільовим специфікаціям. Після завершення рафінування додають легуючі елементи (наприклад, марганець, кремній, хром, нікель, ванадій), щоб налаштувати властивості сталі-наприклад, марганець покращує міцність і загартовуваність, тоді як хром покращує стійкість нержавіючої сталі до корозії.​

Сталеплавильна електродугова піч (ДСП).

Виробництво сталі через EAF в основному покладається на сталевий брухт (до 100% шихти) як сировину, що робить його циклічнішим і-енергоефективним процесом порівняно з конвертерним конвертером. У печі використовуються три графітові електроди для створення електричної дуги (1000–1200 градусів), яка плавить брухт. Для окислення домішок вводять кисень, а для утворення шлаку додають флюси. EAF також може містити залізо прямого відновлення (DRI) або гаряче брикетоване залізо (HBI) для доповнення брухту та покращення якості сталі. Цей метод широко використовується для виробництва спеціальної сталі (наприклад, інструментальної сталі, легованої сталі) і є кращим у регіонах із багатими ресурсами брухту або низькими витратами на електроенергію.​

Після первинного рафінування більшість сталі піддається вторинному рафінуванню (наприклад, рафінуванню в печі-ковші (LF), вакуумній дегазації RH) для подальшого зменшення домішок, регулювання температури та покращення однорідності. Вторинне рафінування гарантує, що сталь відповідає суворим стандартам якості для високоякісних-застосувань, таких як автомобільні деталі, аерокосмічні компоненти та будівельна-конструкційна сталь.​

3. Безперервне лиття: затвердіння сталі в заготовки

Безперервне лиття (CC) є критично важливою ланкою між виробництвом сталі та сталепрокаткою, замінюючи традиційний метод лиття в зливки для підвищення ефективності, зменшення відходів та підвищення якості продукції. Процес перетворює розплавлену сталь у напів-фабрикати, які називаються заготовками безперервного лиття (сляби, блюми, заготовки чи круглі), які безпосередньо придатні для прокатки.​

Лінія безперервного лиття складається з кількох ключових компонентів: проміжного ковша (проміжної ємності, яка зберігає розплавлену сталь із сталеплавильної печі, стабілізує потік сталі та видаляє великі вкраплення), мідної форми-з водяним охолодженням (первинна зона затвердіння), вторинної зони охолодження (обладнаної розпилювальними форсунками, які охолоджують лиття 坯 водяним туманом), а також вузла витягування та виправлення (який тягне затвердіюча відливка 坯 з постійною швидкістю та випрямляє її, щоб запобігти деформації).​

Розплавлена ​​сталь (1500–1550 градусів) виливається зі сталеплавильного ковша в проміжний ковш, який рівномірно розподіляє сталь в одній або кількох формах. Водоохолоджувані стінки форми швидко охолоджують зовнішній шар сталі, утворюючи тверду оболонку (товщиною 10–20 мм), тоді як серцевина залишається розплавленою. Коли відлиток 坯 витягується з форми з контрольованою швидкістю (0,5–2,5 м/хв, залежно від розміру продукту), зона вторинного охолодження розпилює воду на поверхню для прискорення затвердіння. Після повного затвердіння литий 坯 розрізається на певні відрізки (6–12 метрів) за допомогою газорізів або ножиць.​

Безперервне лиття має значні переваги: ​​воно підвищує вихід сталі на 10–15% порівняно з литтям у злитки, зменшує споживання енергії, усуваючи потребу в повторному нагріванні зливків, і виробляє литі заготовки з однорідним поперечним-перерізом і дрібно-мікроструктурою. Тип литої заготовки, що виготовляється, залежить від кінцевого продукту-сляби для сталевих листів і смуг, блюми для конструкційних секцій, заготовки для прутків і дроту та круглі для труб і поковок.​

4. Прокат сталі: формування та зміцнення сталі

Прокатка сталі – це кінцева стадія виробничого процесу, на якій заготовки безперервного лиття деформуються в готові або напів{0}}заготовлені сталеві вироби за допомогою механічної прокатки. Мета полягає в тому, щоб зменшити площу-поперечного перерізу заготовки, підвищити точність її розмірів і вдосконалити її мікроструктуру для покращення механічних властивостей (міцності, пластичності, в’язкості). Двома основними методами прокатки є гаряча прокатка та холодна прокатка, причому гаряча прокатка є основним процесом для більшості сталевих виробів.​

Гаряча прокатка

Гаряча прокатка проводиться при температурах вище температури рекристалізації сталі (1100-1250 градусів), що робить матеріал більш пластичним і легше деформується. Процес починається з нагрівання заготовки безперервного лиття в печі повторного нагріву (1200–1300 градусів) для забезпечення рівномірного розподілу температури. Потім нагріту заготовку пропускають через серію прокатних станів (чорнові стани, проміжні стани та чистові стани), розташованих у тандемній лінії. Кожна прокатна кліть складається з двох або більше валків, які стискають заготовку, зменшуючи її товщину (для плит і смуг) або змінюючи її поперечний-переріз (для прутків, кутників і швелерів).​

Під час гарячої прокатки мікроструктура сталі зазнає рекристалізації-грубі зерна в процесі лиття замінюються дрібними однорідними зернами, що покращує міцність і в’язкість матеріалу. Швидкість прокатки та коефіцієнт зменшення (відсоток площі поперечного-перерізу, що зменшується за прохід) ретельно контролюються для забезпечення якості продукції. Після прокатки сталь охолоджується повітрям або водою (контрольоване охолодження) для подальшої оптимізації її мікроструктури. Гарячекатані-продукти включають гарячекатані-рулони (використовуються для труб, автомобільних частин і будівництва), гарячекатані-бруски (для машин і кріплень) і гарячекатані-профілі (для будівель і мостів).​

Холодна прокатка (додатковий процес).

У той час як початковий опис процесу зосереджується на гарячій прокатці, холодна прокатка часто є наступним етапом для виробів, які вимагають високої якості поверхні та точного допуску на розміри (наприклад, панелі кузова автомобілів, електричні листи, стрічки з нержавіючої сталі). Холодна прокатка виконується при кімнатній температурі, що підвищує міцність сталі за рахунок наклепу. Процес використовує менші коефіцієнти зменшення за прохід і вимагає проміжного відпалу (термічної обробки) для відновлення пластичності. Холоднокатані вироби мають гладку поверхню, жорсткий контроль товщини та покращені механічні властивості порівняно з гарячекатаною сталлю.