Основните производствени процеси на стоманодобивната промишленост
Стоманата, като гръбнакът на съвременната индустрия, е в основата на инфраструктурата, производството, транспорта и безброй други сектори по света. Производството му е усъвършенстван, много-етапен процес, който превръща суровите минерали във високо-ефективни метални материали. Основният работен процес се състои от четири взаимосвързани етапа: производство на желязо, производство на стомана, непрекъснато леене и валцуване на стомана. Всяка стъпка играе критична роля в усъвършенстването на състава, структурата и свойствата на материала, гарантирайки, че отговаря на разнообразните изисквания на крайните -потребители. По-долу е дадена подробна разбивка на тези ключови процеси
1. Производство на желязо: Извличане на метално желязо от руди
Производството на желязо е основната стъпка, която превръща рудите, съдържащи желязо-, в течен чугун (горещ метал), основната суровина за производството на стомана. Сърцето на този процес е доменната пещ (BF), извисяваща се цилиндрична конструкция, обикновено висока 30–60 метра, облицована с топло-устойчиви огнеупорни материали, за да издържа на екстремни температури (1300–1500 градуса).
Суровините, използвани в производството на желязо, включват три ключови компонента: железни руди (агломерирана и букова руда, които съдържат 55–65% железен оксид), кокс (богато на въглерод-гориво, получено от въглища, изпълняващо двойна роля като източник на топлина и редуциращ агент) и флюс (основно варовик, който реагира с примеси, за да образува шлака). Тези материали се смесват в точни пропорции и се подават в доменната пещ от горната част чрез камбанна или-безкамбанна система за зареждане. Междувременно предварително загрят въздух (горещ взрив) се инжектира през дюзи, наречени фурми в дъното на пещта, запалвайки кокса и създавайки атмосфера с висока -температура.
В тази среда протичат поредица от химични реакции: коксът изгаря, за да се получи въглероден оксид (CO), който реагира с железния оксид (Fe₂O₃) в рудите, за да го редуцира до метално желязо. Варовикът се разлага на калциев оксид (CaO), който се комбинира със силициев диоксид (SiO₂), алуминиев оксид (Al₂O₃) и други пустинни минерали в рудите, за да образува разтопена шлака-страничен продукт, който плува върху течното желязо поради по-ниската си плътност. След 6–8 часа топене, разтопеният чугун (със съдържание на въглерод 3,5–4,5%, заедно с примеси като сяра, фосфор и манган) се изсмуква от пещта през кран, докато шлаката се отстранява отделно за рециклиране или промишлена употреба. Съвременните съоръжения за производство на желязо често включват енергоспестяващи-технологии като впръскване на въглищен прах (PCI) или впръскване на природен газ за намаляване на потреблението на кокс и по-ниски въглеродни емисии.
2. Производство на стомана: рафиниране на примеси и легиране
Производството на стомана е процес на пречистване на чугун чрез отстраняване на излишния въглерод и вредни примеси (сяра, фосфор, кислород и др.), като същевременно се коригира химичният му състав с легиращи елементи, за да се постигнат желаните механични свойства (якост, якост, устойчивост на корозия). Двете доминиращи технологии за производство на стомана в световен мащаб са производство на стомана с кислородна пещ (BOF) и производство на стомана с електродъгова пещ (EAF).
Производство на стомана в базова кислородна пещ (BOF).
Отчитайки приблизително 70% от световното производство на стомана, BOF производството на стомана използва течен чугун (70–80% от заряда) и стоманен скрап (20–30%) като суровини. Процесът протича в накланящ се, облицован с огнеупор-конвертор с капацитет 100–400 тона. Кислородно копие с водно охлаждане се спуска в преобразувателя, издухвайки кислород с висока{11}}чистота (99,5%+) върху повърхността на разтопеното желязо със свръхзвукова скорост. Кислородът реагира енергично с въглерод (образувайки газове CO и CO₂), силиций, манган и фосфор, генерирайки интензивна топлина (до 1650 градуса), която поддържа процеса на рафиниране без входна външна енергия.
За контролиране на състава на шлаката и ефективно отстраняване на сярата и фосфора по време на продухването се добавят флюси като вар (CaO) и доломит. Цикълът на рафиниране продължава 20–40 минути, а операторите наблюдават процеса чрез измерване на температурата и вземане на химически проби, за да гарантират, че стоманата отговаря на целевите спецификации. След като рафинирането приключи, се добавят легиращи елементи (напр. манган, силиций, хром, никел, ванадий), за да се приспособят свойствата на стоманата-например манганът подобрява здравината и закаляването, докато хромът подобрява устойчивостта на корозия за неръждаемата стомана.
Производство на стомана в електродъгова пещ (EAF).
Производството на EAF стомана разчита предимно на стоманен скрап (до 100% от зареждането) като суровина, което го прави по-кръгов и енергийно-ефективен процес в сравнение с BOF. Пещта използва три графитни електрода за генериране на електрическа дъга (1000–1200 градуса), която разтопява скрап. Кислородът се инжектира за окисляване на примесите и се добавят потоци за образуване на шлака. EAF могат също така да включват директно редуцирано желязо (DRI) или горещо брикетирано желязо (HBI) за допълване на скрап и подобряване на качеството на стоманата. Този метод се използва широко за производство на специални стомани (напр. инструментална стомана, легирана стомана) и се предпочита в региони с изобилие от скрап или ниски разходи за електроенергия.
След първично рафиниране повечето стомани се подлагат на вторично рафиниране (напр. рафиниране в пещ черпак (LF), RH вакуумна дегазация) за допълнително намаляване на примесите, регулиране на температурата и подобряване на хомогенността. Вторичното рафиниране гарантира, че стоманата отговаря на стриктни стандарти за качество за високи -приложения като автомобилни части, аерокосмически компоненти и строителна-структурна стомана.
3. Непрекъснато леене: Втвърдяване на стомана в заготовки
Непрекъснатото леене (CC) е критична връзка между производството на стомана и валцуването на стомана, като заменя традиционния метод за леене на блокове, за да подобри ефективността, да намали отпадъците и да подобри качеството на продукта. Процесът превръща разтопената стомана в полу-завършени продукти, наречени заготовки за непрекъснато леене (плочи, блуми, заготовки или кръгове), които са директно подходящи за валцуване.
Линията за непрекъснато леене се състои от няколко ключови компонента: резервоар (междинен съд, който съхранява разтопената стомана от пещта за производство на стомана, стабилизира потока на стомана и отстранява големи включвания), водно{0}}охлаждаема медна форма (първичната зона на втвърдяване), вторична охлаждаща зона (оборудвана с пръскащи дюзи, които охлаждат отливката 坯 с водна мъгла) и устройство за изтегляне и изправяне (което изтегля втвърдяващата се отливка 坯 с постоянна скорост и я изправя, за да предотврати деформация).
Разтопената стомана (1500–1550 градуса) се излива от кофата за производство на стомана в резервоара, който разпределя стоманата равномерно в една или повече форми. Охлажданите с вода стени на матрицата бързо охлаждат външния слой на стоманата, образувайки втвърдена обвивка (с дебелина 10–20 mm), докато сърцевината остава разтопена. Тъй като отливката 坯 се изтегля от формата с контролирана скорост (0,5–2,5 m/min, в зависимост от размера на продукта), зоната за вторично охлаждане пръска вода върху повърхността, за да ускори втвърдяването. След като се втвърди напълно, отливката 坯 се нарязва на определени дължини (6–12 метра) с помощта на пламъчни ножици или ножици.
Непрекъснатото леене предлага значителни предимства: то увеличава добива на стомана с 10–15% в сравнение с леенето на блокове, намалява консумацията на енергия чрез елиминиране на необходимостта от повторно нагряване на блокове и произвежда ляти заготовки с еднакво напречно-сечение и фино-зърнеста микроструктура. Видът на произведената отлята заготовка зависи от крайния продукт-плочи за стоманени плочи и ленти, блумове за структурни секции, заготовки за пръти и телове и закръгления за тръби и изковки.
4. Валцуване на стомана: оформяне и укрепване на стоманата
Валцуването на стомана е последният етап от производствения процес, при който заготовките за непрекъснато леене се деформират в готови или полу{0}}завършени стоманени продукти чрез механично валцуване. Целта е да се намали площта на напречното-сечение на заготовката, да се подобри точността на нейните размери и да се усъвършенства нейната микроструктура, за да се подобрят механичните свойства (якост, пластичност, издръжливост). Двата основни метода на валцуване са горещо валцуване и студено валцуване, като горещото валцуване е основният процес за повечето стоманени продукти.
Горещо валцуване
Горещото валцуване се извършва при температури над температурата на рекристализация на стоманата (1100–1250 градуса), което прави материала по-пластичен и по-лесен за деформиране. Процесът започва с нагряване на заготовката за непрекъснато леене в пещ за повторно нагряване (1200–1300 градуса), за да се осигури равномерно разпределение на температурата. След това нагрятата заготовка преминава през серия от валцоващи мелници (мелници за груба обработка, междинни мелници и довършителни мелници), подредени в тандемна линия. Всяка мелнична стойка се състои от две или повече ролки, които прилагат сила на натиск върху заготовката, намалявайки нейната дебелина (за плочи и ленти) или променяйки нейното напречно-сечение (за пръти, ъгли и канали).
По време на горещо валцуване микроструктурата на стоманата претърпява рекристализация-едрите зърна от процеса на леене се заменят с фини, еднакви зърна, което подобрява здравината и издръжливостта на материала. Скоростта на валцоване и съотношението на редукция (процентът на площта на напречното-сечение, намалена за преминаване) се контролират внимателно, за да се гарантира качеството на продукта. След валцоване стоманата се охлажда с помощта на въздух или вода (контролирано охлаждане), за да се оптимизира допълнително нейната микроструктура. Горещо валцуваните продукти включват горещо валцувани рулони (използвани за тръби, автомобилни части и строителство), горещо валцувани пръти (за машини и крепежни елементи) и горещо валцувани профили (за сгради и мостове).
Студено валцуване (допълнителен процес).
Докато първоначалното описание на процеса се фокусира върху горещо валцуване, студеното валцуване често е последваща стъпка за продукти, изискващи висока повърхностна обработка и точен толеранс на размерите (напр. панели за каросерия на автомобили, електрически листове, ленти от неръждаема стомана). Студеното валцуване се извършва при стайна температура, което увеличава якостта на стоманата чрез закаляване при работа. Процесът използва по-малки коефициенти на редукция на преминаване и изисква междинно отгряване (термична обработка) за възстановяване на пластичността. Студеновалцуваните продукти имат гладка повърхност, строг контрол на дебелината и подобрени механични свойства в сравнение с горещовалцуваната стомана.