Выплавку стали нельзя осуществить без наличия: (PDF) Металлургические процессы: производства стали

alexxlab | 04.09.1973 | 0 | Разное

(PDF) Металлургические процессы: производства стали

46

Для доводки стали до заданной марки необходимо легировать сталь до

заданного состава следующими элементами:

Для этого потребуется:

– для того, чтобы содержание Si в составе стали был равен 0,5%,

необходимо добавить ферросилиций марки ФС 65, коэффициент усвоения

которого равен 0,8, тогда количество необходимого ферросилиция равно

следующему: 0,5-0,032=0,468 и 0,468/0,65·0,8=0,576 кг, на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание Mn в составе стали был равен 0,40 %,

необходимо добавить ферромарганец марки FeMn 75, коэффициент

усвоения которого равен 80%, тогда количество необходимого

ферромарганца равно следующему: 0,40-0,21=0,19 и 0,19/0,75·0,8=0,203 кг,

на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание Cr в составе стали был равен 4 %,

необходимо добавить феррохром марки FeCr 65, коэффициент усвоения

которого равен 70%, тогда: 4/0,65·0,70=4,3 кг, на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание Ni в составе стали было равно 0,4%,

необходимо добавить ферроникель марки FeNi 70, коэффициент усвоения

которого равен 90%, тогда: 0,4/0,7·0,90=0,514 кг, на 100 кг шихты.

– для того, чтобы содержание W в составе стали был равен 17 %,

необходимо добавить ферровольфрам марки FeW 65, коэффициент усвоения

которого равен 70%, тогда: 18/0,65·0,70=19,38 кг, на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание V в составе стали был равен 2 %,

необходимо добавить феррованадий марки FeV 70, коэффициент усвоения

которого равен 80%, тогда: 2/0,70·0,80=2,28 кг, на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание Со в составе стали был равен 8 %,

необходимо добавить феррокобальт марки FeV 70, коэффициент усвоения

которого равен 70%, тогда: 8/0,70·0,70=8 кг, на 100 кг шихты;

– для того, чтобы содержание Мо в составе стали был равен 1 %,

необходимо добавить ферромолибден марки FeМо 80, коэффициент усвоения

которого равен 70%, тогда: 1/0,80·0,70=0,875 кг, на 100 кг шихты.

Способ выплавки стали в сталеплавильном агрегате (варианты)

Изобретения относятся к черной металлургии, а конкретно к выплавке стали в сталеплавильном агрегате – электродуговой печи, кислородном конвертере или индукционной печи. В первом варианте способа осуществляют непрерывную загрузку предварительно подогретой металлошихты в печь, при этом по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты, при определенном содержании компонентов, причем газотворный синтетический композиционный материал разогревают до 100-900°C и вводят на подину печи отдельным потоком, наряду с потоком металлошихты, слоем не более 0,5 м. Во втором варианте способа – по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 11,0-50,0% от массы металлошихты, также при определенном содержании компонентов, причем часть газотворного синтетического композиционного материала в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты разогревают до 100-900°C и вводят на подину печи отдельным потоком, наряду с потоком металлошихты, слоем не более 0,5 м, а оставшееся количество газотворного синтетического композиционного материала распределяют в составе потока металлошихты перед его введением в металлическую ванну. Изобретение позволяет увеличить производительность, снизить энергозатраты, в том числе, за счет снижения требований к качеству подготовки металлошихты, интенсификации процесса перемешивания металла в зоне ее подачи, снижения расходов карбюризатора на выплавку стали. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретения относятся к черной металлургии, а конкретно к выплавке стали в сталеплавильном агрегате – электродуговой печи, кислородном конвертере или индукционной печи.

Известны способы выплавки стали, отличающиеся тем, что в качестве одного из компонентов металлошихты для получения стали используют твердые металлические материалы в виде металлолома, твердого чугуна, железа прямого восстановления, шихтовую заготовку, синтетические композиционные материалы, железосодержащие брикеты и т.д.

Характерной отличительной чертой известных способов является необходимость перевода исходных материалов из твердого в расплавленное состояние с помощью различных источников тепла, преимущественно электрической энергии.

Наибольшее распространение среди существующих способов производства стали получил способ выплавки металла в электродуговых печах.

Наиболее близким по технической сути к заявляемым является способ выплавки стали в электродуговой печи системы «Констил», включающий предварительный нагрев скрапа и его непрерывную подачу непосредственно в жидкую металлическую ванну, специально оставленную после выпуска предыдущей плавки (ближайший аналог) [1]. По ходу плавки нагретый скрап переходит в жидкое состояние, постепенно увеличивая массу металла в печи до необходимого количества, после чего производится выпуск части металла и шлака и процесс повторяется. Основным преимуществом процесса «Констил» является, по мнению авторов, более высокая производительность и меньший расход электроэнергии.

Вместе с тем, данный процесс имеет определенные недостатки, основными из которых являются:

– вследствие различия в размерах кусков лома (металлошихты) при непрерывной подаче его с помощью конвейера через боковую стенку печи, происходит образование своеобразного металлического «моста», нижняя часть которого упирается в подину печи. Этот «мост» располагается на периферии печи на удалении от источника тепла – электрических дуг. В этой области металл испытывает наименьшее перемешивание. Вследствие этого, в зоне подачи кусков лома из-за их хаотичного нагромождения за счет теплоотвода наблюдается сильное охлаждение металлической ванны, приводящее к дефициту тепла в этой зоне, чему способствует чрезвычайно низкий подвод тепла от электрических дуг. Это ограничивает скорость плавления металлошихты. При выпуске металла и шлака из печи возникает опасность обвала «моста» лома, приводящего к интенсивному перемешиванию металла и шлака, взрывному характеру окисления углерода и сопровождающимся выбросом металла и шлака из печи;

– косвенный характер плавления скрапа и других компонентов металлошихты внутри металлической ванны, нагреваемой сверху. Основу этого процесса составляет теплопередача энергии из зоны горения дуг через слой шлака в металлическую ванну, образованную оставленным в печи металлом, расплавившимся жидким скрапом и кусками твердой шихты. Использование для плавления холодного скрапа механизма теплопередачи в системе электрическая дуга-шлак-металл замедляет расплавление, так как скорость переноса тепла к плавящимся материалам путем теплопередачи значительно уступает прямому электродуговому нагреву;

– относительно слабое перемешивание металлической ванны пузырьками СО, образующимися при обезуглероживании металла, а также локальный характер окисления углерода, ограниченный преимущественно зоной, расположенной под электродами. Причиной этого является пониженная температура металла в большей части ванны из-за ее твердожидкого состояния. Вследствие этого, температура по ходу плавки длительное время остается ниже 1550-1570°C, не обеспечивая необходимую для окисления углерода степень перегрева металла над линией ликвидус, и, как следствие этого, надлежащую скорость окисления углерода;

– одной из проблем технологии выплавки стали по известному способу с непрерывным вводом подогретого скрапа в жидкую ванну является ухудшение условий усвоения углерода, вводимого с углеродсодержащим материалом. В классической электродуговой плавке, основная часть углеродсодержащего материала, за исключением части, предназначенной для вспенивания шлака, вводится во время загрузки скрапа. Благодаря этому степень усвоения углерода металлом повышается. В процессе «Констил» такая возможность отсутствует, поэтому в отличие от электродуговой печи с порционной загрузкой в печах «Констил» весь углеродсодержащий материал вынужден вводиться на поверхность шлака. Это уменьшает переход углерода в металл и снижает при прочих равных условиях степень усвоения углерода и его концентрацию в металлической ванне по ходу плавки. В силу данных причин количество углерода, окисляющегося в объеме жидкого металла в способе «Констил», получается существенно ниже, чем в классической электродуговой печи, работающей с одновременной загрузкой лома и карбюризатора. Данное обстоятельство снижает интенсивность обезуглероживания, кипения и перемешивания ванны, ослабляя теплообмен между жидким металлом и плавящейся шихтой, увеличивая тем самым продолжительность плавки.

В результате этих особенностей окисление углерода в процессе «Констил» носит локальный характер и протекает преимущественно на границе шлак-ванна в зоне металла, ограниченной диаметром распада электродов, в которой металл находится в перегретом состоянии. Отсутствие донного глубинного перемешивания в металлической ванне, находящейся большей частью периода плавления в твердожидком состоянии, оказывает отрицательное воздействие на скорость плавления твердой шихты в жидком металле. Данные факторы вызывают необходимость работы печи с большим остатком металла от предыдущей плавки, примерно равным массе выпускаемой плавки, что увеличивает размеры печи, габариты оборудования, потери тепла.

Отмеченные выше факторы вызывают увеличение продолжительности плавления и плавки в целом. В результате этого снижается производительность печи, и возрастают удельные расходы электроэнергии и карбюризатора.

Поэтому следует согласиться с утверждением Ю.Н.Тулуевского и И.Ю.Зинурова [2] о преимуществах классической дуговой электропечи перед печью «Констил» в отношении производительности. С этих позиций утверждение компании «Тенова» о более высокой производительности их способа нельзя признать корректными. Производительность сверхмощных электродуговых печей нового поколения выше печей «Констил». По данным работы печи емкостью 160 т одного из российских заводов удельная производительность данной печи в среднем составляет 165⋅6055⋅165⋅390⋅10−3=18064,35=2,8 т/ч на 1 МВт электроэнергии 3. Аналогичное положение наблюдается для печей последнего поколения и на других российских и зарубежных заводах [4].

Вызывают вопросы и положения о серьезном снижении расхода электроэнергии в электродуговых печах «Констил» по сравнению со сверхмощными электродуговыми печами. Согласно данным самой фирмы «Тенова» печь «Констил» общей емкостью 300 т, массой выпускаемой плавки 187 т и жидким остатком 95-100 т имеет расход электроэнергии на уровне 363 кВт·ч/т годных слябов. Эта цифра всего на 27 кВт·ч/т ниже 160 т электродуговой печи, упомянутой выше и работающей без подогрева лома.

Эти данные нельзя признать существенным достижением по следующим причинам. Если температура подогрева скрапа в среднем в печах «Констил» составляет 250°C, то при теоретических затратах электроэнергии на расплавление 1 т металлошихты 380 кВт·ч расход электроэнергии должен снизиться не менее чем на 60 кВт·ч/т по сравнению с электропечью классического типа. Фактическое снижение – 27 кВт·ч/т вместо ожидаемых 60 кВт·ч/т свидетельствует о том, что хотя предварительный нагрев скрапа и снижает расход электроэнергии, но значительно слабее чем это ожидается.

Данное обстоятельство свидетельствует о наличии в печи «Констил» определенных факторов, снижающих эффект предварительного нагрева скрапа. Основным из них является косвенный характер плавления кусков шихты в жидкой ванне и относительно невысокая скорость передачи тепла от расплавленного металла к плавящимся твердым материалам. Наличие в жидкой среде твердой фазы, обладающей более высокой температурой плавления, снижает темп нагрева расплава и соответственно интенсивность перехода твердого тела в расплавленное состояние. Причиной этого является пониженная скорость передачи тепла и вещества в двухфазной твердожидкой системе по сравнению с однородной гомогенной жидкой средой. Поэтому обусловленное этим снижение скорости переноса тепла в печи «Констил» по сравнению с классической электропечью, использующей прямое расплавление шихты с помощью электродуг, вызывает неизбежно увеличение энергозатрат. Это дополнительное повышение расхода электроэнергии уменьшает достигнутую экономию, получаемую за счет предварительного нагрева скрапа.

Вышеизложенное подтверждает факт более медленного проплавления шихты в известном процессе по сравнению со сверхмощными электропечами нового поколения и свидетельствует о наличии недоиспользованных резервов для ускорения плавления шихты, снижении затрат электроэнергии и увеличении производительности печи.

Наличие недостатков в энергетике известного способа подтверждается также и сравнением составов шихты. В рассматриваемом случае электродуговая печь «Констил» работает с высоким содержанием чушкового чугуна – на уровне 35-40%. Известно, что энергоемкость твердого передельного чугуна составляет всего 50% от энергоемкости скрапа [4]. Принимая расход электроэнергии на расплавление 1 т чугуна, равным 210 кВт·ч/т, что составляет 50% от соответствующего показателя скрапа, это должно дать дополнительную экономию электроэнергии порядка 187⋅35/100⋅210187=7,3 кВтч/т слябов. С учетом этого показателя суммарное снижение удельных затрат энергии в процессе «Констил» должно превысить 27+73.5=100,5 кВт·ч/т. Фактически достигнутая экономия получается намного ниже и не превышает 27 кВт·ч/т металла.

Обращает на себя внимание и худшее использование энергопотенциала углерода в печи «Констил». В данном случае весь углерод вынужден вводиться в шлак. Это ухудшает условия усвоения тепла дожигания СО до СО₂ металлической ванной и вызывает необходимость повышения расхода углерода до 14 кг/т металла [1].

Следовательно, фактически достигнутое сокращение расхода электроэнергии в электродуговых печах системы «Констил» оказывается значительно ниже возможного. Данный факт свидетельствует о несовершенстве теплообмена между твердыми фрагментами металлошихты и жидкой металлической ванны в этом процессе. В конечном счете, это отрицательно влияет на продолжительность периода плавления и всего цикла плавки в целом, увеличивая ее длительность и энергозатраты, а также расход карбюризатора. Наличие резерва недоиспользованных возможностей у известного способа открывает значительные перспективы для дальнейшего совершенствования процесса «Констил».

Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат, заключаются в усовершенствовании способа выплавки стали с непрерывной загрузкой металлошихты, увеличении его производительности, снижении энергозатрат на его осуществление, в том числе, за счет снижения требований к качеству подготовки металлошихты, интенсификации процесса перемешивания металла в зоне ее подачи, и снижения расходов карбюризатора на выплавку стали.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающем непрерывную загрузку предварительно подогретой металлошихты в печь, ввод шлакообразующих, окислителя и углеродсодержащих материалов, вдувание газообразного кислорода в ванну, подачу энергии, расплавление металлошихты, формирование шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода, фосфора и других примесей, нагрев и доводку расплава по химическому составу и температуре, выпуск металла и шлака, при этом по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты, при следующем содержании компонентов, мас.%:

твердый окислитель	5-40
железоуглеродистый сплав	остальное

причем газотворный синтетический композиционный материал разогревают до 100-900°C и вводят на подину печи отдельным потоком, наряду с потоком металлошихты, слоем не более 0,5 м.

Кроме этого:

– непрерывную загрузку металлошихты осуществляют сбоку сталеплавильного агрегата, а отдельный поток газотворного синтетического композиционного материала формируют в виде верхнего слоя потока металлошихты;

– газотворный синтетический композиционный материал дополнительно содержит углеродсодержащий материал в количестве 0,5-5,0 мас.%, при этом 10-95% его углерода подвергают окислению в процессе плавки.

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в усовершенствовании способа выплавки стали с непрерывной загрузкой металлошихты, увеличении его производительности, снижении энергозатрат на его осуществление, в том числе, за счет снижения требований к качеству подготовки металлошихты, интенсификации процесса перемешивания металла в зоне ее подачи и снижения расходов карбюризатора на выплавку стали, а также расширении номенклатуры выплавляемых марок стали.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе выплавки стали в сталеплавильном агрегате, включающем непрерывную загрузку предварительно подогретой металлошихты в печь, ввод шлакообразующих, окислителя и углеродсодержащих материалов, вдувание газообразного кислорода в ванну, подачу энергии, расплавление металлошихты, формирование шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода, фосфора и других примесей, нагрев и доводку расплава по химическому составу и температуре, выпуск металла и шлака, при этом по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 11,0-50,0% от массы металлошихты, при следующем содержании компонентов, мас.%:

твердый окислитель	5-40
железоуглеродистый сплав	остальное

причем часть газотворного синтетического композиционного материала в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты разогревают до 100-900°C и вводят на подину печи отдельным потоком, наряду с потоком металлошихты, слоем не более 0,5 м, а оставшееся количество газотворного синтетического композиционного материала распределяют в составе потока металлошихты перед его введением в металлическую ванну. Кроме этого:

– непрерывную загрузку металлошихты осуществляют сбоку сталеплавильного агрегата, а отдельный поток газотворного синтетического композиционного материала формируют в виде верхнего слоя потока смеси металлошихты и газотворного синтетического композиционного материала;

– газотворный синтетический композиционный материал дополнительно содержит углеродсодержащий материал в количестве 0,5-5 мас.%, при этом 10-95% его углерода подвергают окислению в процессе плавки.

В зависимости от варианта реализации способа выплавки стали газотворный синтетический материал вводят по-разному.

В первом варианте его вводят в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты, на подину печи в разогретом до 100-900°C виде отдельным потоком, слоем не более 0,5 м. Поскольку в известных процессах непрерывную загрузку металлошихты осуществляют сбоку сталеплавильного агрегата, что позволяет использовать для ее подогрева высокотемпературные отходящие газы, то отдельный поток газотворного синтетического композиционного материала можно сформировать в виде верхнего слоя потока металлошихты, который в первую очередь будет разогреваться до необходимой температуры – значительно быстрее и раньше шихты.

Во втором варианте реализации способа часть газотворного материала в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты, также вводят на подину печи в разогретом до 100-900°C виде отдельным потоком, также слоем не более 0,5 м, а оставшуюся часть распределяют в составе потока металлошихты перед его введением в металлическую ванну. Для случая непрерывной боковой загрузки металлошихты по типу процесса «Констил» – это самостоятельный верхний слой композита, омываемый высокотемпературными отходящими газами, и его дополнительные, не обязательно равномерно распределенные, фрагменты (куски, слитки, чушки) в составе шихты.

В качестве металлической основы газотворного синтетического композиционного материала используют железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 0,05-4,5% в литом и фрагментированном состоянии. В последнем случае это могут быть корольки чугуна, чугунное крошье, чугунная и стальная стружка, металлоотсев, различные металлические частицы.

В качестве твердого окислителя используют железорудный концентрат, частицы железной руды, окалину, агломерат и их смеси, а также частично восстановленное железо, железорудные окатыши, окомкованные железорудные материалы.

Углеродсодержашие материалы включают в себя отходы кокса, графитовую пыль, угольную мелочь, древесный уголь и их смеси.

В готовом состоянии газотворный синтетический композиционный материал представляет собой отливку, состоящую из литой металлической основы – матрицы и частиц наполнителя, распределяемых в объеме отливки. В случае использования в качестве основы железоуглеродистого сплава в виде твердых частиц, композит имеет вид брикета в виде механической смеси частиц металла и наполнителя.

Способ осуществляют следующим образом.

Используемая технология выплавки стали с непрерывной загрузкой металлошихты не требует качественной подготовки металлолома. В печь его можно вводить в состоянии поставки – без дополнительного измельчения и калибровки. Это позволяет существенно снизить энергозатраты на подготовительные мероприятия и, соответственно, на осуществление способа в целом. В настоящее время проблема эффективной подготовки и калибровки металлошихты перед подачей в печь не решается из-за высокой трудоемкости и необходимости использования дорогостоящего специализированного оборудования, что существенно увеличивает стоимость металла и делает его производство недостаточно эффективным.

После окончания выпуска части металла и шлака в оставленный в печи жидкий металл после включения электроэнергии в металлическую ванну начинают непрерывно подавать предварительно подогреваемый металлолом. Параллельно и одновременно с металлошихтой в печь подают газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков единичной массой более 5 кг. Композиционный материал вводят отдельным потоком, например, слоем не более 0,5 м поверх лома (первый вариант изобретения) или в комбинированном виде – одну часть отдельным потоком, слоем не более 0,5 м, например, поверх лома, а другую в составе потока металлошихты (второй вариант изобретения). По ходу плавки на шлак присаживают известь и карбюризатор для вспенивания шлака. Слитки композиционного материала благодаря их высокой плотности и дополнительной скорости, приобретенной во время их падения, а также под влиянием утапливающего эффекта фрагментов скрапа, имеющего плотность выше плотности жидкого расплава, попадают в нижнюю часть металлической ванны, располагаясь на подине вместе с кусками металлолома.

В результате теплообмена слитков синтетического материала с расплавленной металлической ванной происходит нагрев поверхности слитков до температуры жидкого металла. Последняя, ввиду меньшей концентрации углерода в нем, всегда выше температуры плавления металлической основы синтетического материала, составляющей для чугуна порядка 1150-1250°C. Это на 300-400°C ниже температуры ванны в период плавления. Благодаря значительной разнице температур поверхность слитков композита нагревается до температуры плавления, причем значительно быстрее стального лома, опережая тем самым расплавление последнего.

В результате перехода наружных слоев металлической матрицы композита из твердого в жидкое состояние начинается интенсивное взаимодействие между углеродом основы композита, присутствующем в нем в растворенном состоянии, с частицами оксидов железа. Эта реакция протекает с весьма высокими скоростями, достигающими в области 1150-1400°C 0,4-0,8%С/мин при окислении углерода и 0,5-10 кг/м³ с при восстановлении оксидов железа углеродом.

С повышением температуры более 1400°C реакция окисления углерода – восстановление железа усиливается. Это объясняется тем, что в данной области температур в расплавленное состояние переходят смесь оксидов железа, пустой породы твердого окислителя и оксиды элементов металлической основы, получающиеся в результате окисления кремния, марганца, фосфора кислородом оксидов железа. При этом образуется легкоплавкий железистый шлак с высокой активностью оксидов железа. Поэтому взаимодействие растворенного в металлической основе композита с расплавленными оксидами железа протекает с огромными скоростями.

Скорость окисления углерода в композите превышает аналогичный показатель для кислородно-конвертерного процесса, обладающего среди всех сталеплавильных процессов максимальной скоростью обезуглероживания. В результате высокоинтенсивного окисления углерода до СО в плавящихся слитках композита обеспечивается значительная скорость газообразования и выделение большого количества СО. Для 1 т газотворного синтетического композиционного материала состава 850 кг (85%) передельного чугуна и 150 кг (15%) твердого окислителя количество образовавшегося СО составляет около 70 нм³/т или с учетом коэффициента объемного расширения 500 м³/т. Данный показатель газовыделения находится на уровне интенсивности выделения монооксида углерода в кислородных конвертерах.

Образующийся в результате реакции углерода с кислородом оксидов газ всплывает через слой металла, вызывая развитое глубинное кипение расплава и его интенсивное перемешивание в виде барботажа металла и шлака. Теплообмен между твердыми кусками металлолома и расплавленной ванной при этом переходит из ламинарного в турбулентный режим. Вследствие этого скорость подвода тепла к плавящимся в ванне твердым материалам резко возрастает [5, 6]. В свою очередь, это ускоряет период плавления металлошихты и всей плавки в целом, а также повышает степень усвоения энергии электрических дуг, снижая тем самым удельные затраты тепла.

Таким образом, синтетический композиционный материал, состоящий из смеси железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в процессе нагрева и расплавления в металлической ванне, образует в результате реакции окисления углерода конденсированным кислородом оксидов железа значительное количество СО. Это придает данному композиту высокие газотворные свойства и позволяет обеспечить интенсивное кипение и перемешивание, носящее глубинный характер и распространяющееся на весь объем металлической ванны, в том числе и жидкий шлак, покрывающий поверхность металла. Обращает на себя особое внимание, что образование и выделение СО происходит непосредственно на поверхности слитков композита в месте их нахождения в ванне печи.

Количество образующегося монооксида углерода и характер окисления углерода является регулируемым процессом и задается химическим со ставом композита, его расходом, способом ввода в металлическую ванну, выбором размеров частиц твердого окислителя и поверхности его контакта с железоуглеродистой матрицей, а также температурой металлической ванны, определяемой вводимой электрической мощностью. В результате этого достигается непрерывное и равномерное окисление углерода и соответственно выделение монооксида углерода на протяжении всей плавки.

Газотворную способность синтетическому композиционному материалу придает одновременное присутствие в нем углерода, вносимого железоуглеродистой основой композита, присутствующего в нем в растворенном состоянии, и конденсированного кислорода, источником которого являются оксиды железа твердого окислителя. При переходе композита в расплавленное состояние термодинамическая активность углерода и кислорода резко увеличиваются. В сочетании с высокоразвитой поверхностью развития взаимодействующих фаз – железоуглеродистого расплава и жидких оксидов железа – это создает дополнительно к повышенным термодинамическим параметрам реагирующих жидких компонентов благоприятные кинетические условия для окисления углерода и образования монооксида углерода. Вместе взятые, эти факторы превращают композит данного состава в процессе его расплавления в материал с высокой газотворной способностью, обеспечивающей непрерывный барботаж ванны по ходу плавки и ускоряющий процессы переноса тепла и вещества, включая кислород и углерод.

Ввод композита данного состава в металлическую ванну создает эффект глубинного перемешивания жидкого металла, а также шлака. По своему воздействию на плавку композит с газотворной способностью аналогичен донной продувке, осуществляемые через специальные устройства. Однако он превосходит их как по объему газовыделения, так и равномерности развития барботажа в металле, а также универсальности, позволяя осуществлять непрерывное и равномерное выделение монооксида по ходу плавки без образования пиков на кривой окисления углерода.

Процесс образования СО и поступление его в объем жидкого металла определяется темпом окисления углерода в композите. Лимитирующей стадией этого процесса является подвод тепла, в то время как кинетика окисления углерода в сталеплавильной ванне согласно современным представлениям определяется переносом кислорода в зону реакции с углеродом.

Исходя из этого использование газотворного синтетического композиционного материала приводит к образованию в металлической ванне нового фронта окисления углерода и выделения СО. В отличие от классического обезуглероживания металлической ванны, лимитируемого доставкой кислорода внутрь жидкого металла и носящего диффузионный характер [5, 6, 7], окисление углерода в композите и образование СО осуществляется за счет собственного внутреннего кислорода оксидов железа, введенных в состав композита заранее до начала его загрузки в ванну, а именно на стадии изготовления. В силу этих причин определяющей стадией окисления углерода и газовыделения СО вместо диффузии кислорода является подвод тепла к плавящимся кускам композита.

Одновременное наличие двух фронтов окислении углерода и образования СО в металлической ванне, лимитирующие стадии которых имеют разный характер и принципиально отличаются друг от друга, открывает широкие перспективы для управления кипением и перемешиванием металла и шлака. Это устраняет главный барьер на пути дальнейшего совершенствования способа выплавки стали с непрерывной загрузкой подогретого скрапа в металлическую ванну по системе «Констил».

Непрерывное и равномерное выделение СО из ванны и выход его на поверхность шлака, достигаемое за счет газотворной способности композита, создает благоприятные условия для дожигания СО до СО₂. Перемешивание шлака и металла усиливает перенос тепла из зоны дожигания над шлаком в объем металлической ванны. Вместе взятые, эти факторы увеличивают степень усвоения тепла дожигания и снижают расходы карбюризатора и электроэнергии.

Расход газотворного синтетического композиционного материала на плавку в первом варианте способа выбирают в пределах 1-10% от массы металлошихты, слоем не более 0,5 м, обеспечивая газовыделение со скоростью 1-250 м³/т металла. При расходе композита менее 1% объем образующегося газа получается менее 1 м³/т металла. Это снижает эффективность предлагаемого способа. В случае увеличения расхода выше 10% наблюдается чрезмерное вспенивание шлака и увеличение толщины его слоя, что затрудняет перенос тепла из зоны дожигания СО в металлическую ванну.

Во втором варианте способа при расходе композиционного материала менее 11% происходит реализация способа по первому варианту. При расходе композита в пределах 11-50% последний наряду с ролью газотворного материала (1-й способ) выполняет функцию первородной шихты, снижая долю металлолома в общей массе металлозавалки, и повышает тем самым чистоту выплавляемой стали.

Величина слоя газотворного синтетического композиционного материала не более 0,5 м объясняется тем фактом, что его большая толщина будет представлять эффективный теплоизоляционный слой, который будет сдерживать естественный разогрев потока металлошихты.

В случае увеличения расхода композита выше 50% количество монооксида, выделяющегося в результате реакции углерода и кислорода композита, получается чрезмерным, вызывая сильный подъем уровня поверхности металлической ванны и высоты слоя шлака, что осложняет ведение плавки.

Пределы содержания твердого окислителя в композите, равного 5-40%, определяются двумя факторами. Если содержание оксидов железа в композите менее 5%, то весь кислород оксидов железа расходуется на окисление углерода. Из-за недостаточного содержания окислителя объем образующегося газа получается небольшим. Кроме того, из-за недостаточной степени окисления углерода в расплаве, образующемся при расплавлении металлической основы композита, содержится повышенное количество углерода. Вследствие этого повышается концентрация углерода в металлической ванне, увеличивая тем самым длительность периода окисления углерода. Одновременно с этим ухудшаются условия дефосфорации металла. Поэтому снижение доли оксидов железа ниже 5% в композите нецелесообразно.

При повышенном содержании твердого окислителя в композите выше 40% количество оксидов железа, поступающих в металл при расплавлении композита, превышает их количество, необходимое для удаления всего углерода композита и фосфора в металлической ванне. Избыток оксидов железа поступает в шлак, повышая его окисленность и увеличивая массу шлака. Это отрицательно влияет на стойкость футеровки, увеличивает содержание кислорода в конечном металле, повышает расход раскислителей, сокращает выход железа, усиливает загрязненность стали неметаллическими включениями. Данные факторы ограничивают пределы содержания твердого окислителя в композите пределом 40%.

Для повышения эффективности технических решений газотворный синтетический композиционный материал дополнительно содержит углеродсодержащий материал (карбюризатор, науглероживатель) в количестве 0,5-5%. В результате этого возрастает общее содержание углерода в композите и увеличивается его газотворная способность. Одновременно это позволяет ввести в металлическую ванну дополнительное количество углерода и обеспечить требуемую концентрацию углерода в металле по ходу плавления и окислительного периода. При этом достигается нужная степень науглероживания, стабильный характер этого параметра и повышенная степень усвоения углерода.

Если массовая доля науглероживателя в композите ниже минимальной величины – 0,5%, то газотворная способность и науглероживающий эффект получаются незначительными и не оправдывают усложнения технологии получения композита.

При массовой доле науглероживателя в композите выше максимальной величины – 5% возникают проблемы с прочностью композита и возрастают потери, связанные с механическим разрушением слитков композита при его транспортировке и загрузке в печь. Негативные последствия превышения указанного предела проявляются и в технологии окислительного периода, увеличивая его продолжительность вследствие повышения содержания углерода в металлической ванне, вносимого в нее композитом.

В период плавления металлическая ванна содержит значительное количество подаваемого непрерывным потоком твердого металлолома нестабильных размеров и формы, и находится в твердожидком состоянии. Нагрев и расплавление такой ванны сопряжены с существенными затруднениями, обусловленными весьма низкими скоростями окисления углерода и выделения СО. Сочетание пониженной температуры металла и слабое развитие кипения и перемешивания в твердожидкой ванне увеличивают длительность плавки и затраты электроэнергии. Поэтому в начальный период плавления рекомендуется применять композит в предварительно нагретом до 100-900°C виде.

Ввод в ванну композита в таком состоянии снижает в пределе до двух раз расход энергии на его расплавление и увеличивает темп окисления углерода и скорость образования СО. Эти факторы ускоряют нагрев и расплавление ванны. Эффективность этого приема тем выше, чем больше температура нагрева композита. Однако повышение ее сверх 900°С сопровождается снижением прочности слитков композита и разрушением их на части. Это ограничивает верхний предел нагрева указанной выше температурой. Температура нагрева композита ниже 100°С не позволяет произойти процессу полного испарения влаги в шихте, что нежелательно, поскольку влага попадает в печь (увеличивается теплоотвод, происходят микровзрывы и т.д.).

Таким образом, для регулирования скорости образования СО при плавлении композита предлагается вводить его двумя вариантами. В первом варианте весь композит разогревают и подают в металлическую ванну. Во втором – одну часть композита разогревают целенаправленно, а оставшуюся часть разогревают на общих основаниях – вместе с металлошихтой. Использование композита с разной температурой определяет разную длительность их нагрева до расплавленного состояния или время их жизни в металлической ванне. Это изменяет продолжительность процесса обезуглероживания в слитках композита и соответственно скорость образования СО. Для начальных периодов плавки, когда ванна нагрета относительно слабо, предпочтительнее ввод композита преимущественно в нагретом виде при минимальной доле холодного материала.

В процессе выплавки стали удобнее всего непрерывную загрузку металлошихты осуществлять сбоку сталеплавильного агрегата. Благодаря такой подаче металлошихта по мере подхода к «порогу» разогревается отходящими газами до температуры, как правило, 100-900°C – от нижней части потока к верхней, соответственно. В случае формирования поверх потока металошихты отдельного потока газотворного синтетического композиционного материала появляется возможность разогреть его до необходимой температуры, практически без затрат, что позволит сэкономить электроэнергию и кислород на его самостоятельный разогрев.

В конце плавки после расплавления металлошихты и перехода к окислительному периоду (нагреву ванны и окисления углерода), когда ванна становится гомогенной и обладает повышенной температурой по сравнению с периодом плавления, меньшую часть композита следует вводить в нагретом виде при максимальной доле его в холодном состоянии, т.е. в составе потока металлошихты. Благодаря замедленному расплавлению слитков композита в холодном виде выделение монооксида растягивается на весь окислительный период, сокращая тем самым его расход на плавку. Изменяя соотношение долей холодного и нагретого композита, легко регулировать барботаж ванны пузырьками газа, кипение и перемешивание ее, согласование темпа подачи композита и соотношение между нагретым и холодным материалом с подводом электрической мощности и расходом кислорода на продувку.

В табл.1 приведена оценка удельной газотворной способности синтетического композиционного материала различного состава при варьировании доли твердого окислителя в пределах 5-40%. Приведенные данные подтверждают высокий газообразующий потенциал синтетического композита, изменяющийся в пределах от 120 до 460 м³/т материала. Наивысшими газотворными качествами согласно данным таблицы 1 обладают композиты с соотношением углерод-кислород, отвечающих стехиометрии реакции между ними. Это дает возможность использовать материалы с весьма широким диапазоном газовыделения.

В табл.2 приведены примеры осуществления способа выплавки стали в электродуговой печи вместимостью по металлолому 180 т по предлагаемому и известному способу (прототипу). В оптимальных примерах 2-9 благодаря использованию газотворного материала достигнуто увеличение производительности печи со 173 до 178-190 т/ч, снижение удельного расхода электроэнергии на 5-19 кВт·ч/т металла и уменьшение удельного расхода углерода до 10,9-12,6 вместо 14 кг/т в известном способе.

Ухудшение технико-экономических показателей в примере 1 объясняется весьма малым расходом на плавки газотворного материала (0,8%) и пониженным содержанием в нем твердого окислителя (4%). Снижение показателей в примере 10 обусловлено чрезмерно высоким расходом газотворного материала (выше 50%) и повышенным количеством окислителя в донном композите (42%).

В результате решения поставленной задачи были созданы очередные усовершенствованные способы выплавки стали в сталеплавильном агрегате – электродуговой печи, кислородном конвертере или индукционной печи с непрерывной загрузкой металлошихты, – увеличенной производительности, с низкими энергозатратами на их осуществление и расходом карбюризатора на выплавку стали. Снизились требования к качеству подготовки металлошихты, интенсифицировался процесс перемешивания металла в зоне ее подачи, а также расширилась номенклатура выплавляемых марок стали.

Источники информации

1. М.Маркоции, М.Гаццон. Совершенствование предварительного нагрева и важность работы электродуговых печей большой емкости с жидким остатком. Металлургическое производство и технология, №2, 2011, с.8-20.

2. Y.N.Toulouevski, I.Y.Zinurov, «Innovation in Electric Arc Furnaces». December 2009, Springer-Verlag New York.LLG.

3. Вздыханько M.M., Мурат С.Г., Дорофеев Г.А. и др. Производство и применение синтетических композиционных материалов при выплавке стали в дуговых электропечах. – Черная металлургия: Бюл. «Черметинформация». 2012, №1, с.38-46.

4. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г.А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. – М.: Интерконтакт Наука, 2008 – 272 с.

СПОСОБ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ АГРЕГАТЕ (2 ВАРИАНТА)

Таблица 2
№ п.п.	Параметры плавок	Размерность	Примеры
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Прототип
1	Длительность плавки	мин	61,5	59,8	57,3	55,8	54,5	55,2	56,8	58,6	59,3	60,8	65
2	Время работы печи под током	мин	46,8	44,1	42,9	41,1	40	40,9	41,2	41,9	42,3	44,9	50
3	Производительность	т/ч	175,61	179,89	183,97	180.5	190,37	189,7	184,6	182,9 2	178,3	171,8	173
4	Производительность печи на 1 МВт-ч	т/ч-МВт	2,72	2,82	2,90	2,95	3,0	2,93	2,88	2,85	2,79	2,74	2,75
5	Удельный расход углерода	кг/т	13,8	12,6	12,5	111,6	10,9	11,2	11,8	12,3	12,6	12,8	14
6	Удельный расход кислорода	нм3/т	35,1	34,1	33,8	33,2	32,75	33,4	33,9	34,2	34,4	34,9	36
7	Удельный расход природного газа	нм3/т	6,1	5,9	5,7	5.5	5.4	5,6	5,9	6,1	6,1	6,0	–
8	Удельный расход электроэнергии	кВт·ч/т	366	354	345	339	334	341	347	351	358	365	363
9	Расход газотворного синтетического композиционного материала	мас.%, от общего расхода металлошихты	0,8	1,9	8,15	21	28	36	43	46	49	53	–
10	Доля твердого окислителя в композите	мас.%	4	5	10	15	21	25		30	39	42	–

1. Способ выплавки стали в сталеплавильной печи, включающий непрерывную загрузку предварительно подогретой металлошихты, ввод шлакообразующих, окислителя и углеродсодержащих материалов, вдувание газообразного кислорода в ванну, расплавление металлошихты, формирование шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода и фосфора, нагрев и доводку расплава по химическому составу и температуре, выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты, при следующем содержании компонентов, мас. %:

твердый окислитель	5-40
железоуглеродистый сплав	остальное

при этом газотворный синтетический композиционный материал разогревают до 100-900°C и вводят отдельно на подину печи, наряду с металлошихтой, слоем не более 0,5 м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывную загрузку металлошихты осуществляют сбоку сталеплавильной печи, а газотворный синтетический композиционный материал формируют в виде верхнего слоя металлошихты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газотворный синтетический композиционный материал дополнительно содержит углеродсодержащий материал в количестве 0,5-5,0 мас.%, при этом 10-95% его углерода подвергают окислению в процессе плавки.

4. Способ выплавки стали в сталеплавильной печи, включающий непрерывную загрузку предварительно подогретой металлошихты, ввод шлакообразующих, окислителя и углеродсодержащих материалов, вдувание газообразного кислорода в ванну, расплавление металлошихты, формирование шлака, окислительное рафинирование металлического расплава от избыточного количества углерода и фосфора, нагрев и доводку расплава по химическому составу и температуре, выпуск металла и шлака, отличающийся тем, что по ходу плавки в металлическую ванну непрерывно вводят газотворный синтетический композиционный материал в виде слитков, состоящих из железоуглеродистого сплава и твердого окислителя, в количестве 11,0-50,0% от массы металлошихты, при следующем содержании компонентов, мас. %:

твердый окислитель	5-40
железоуглеродистый сплав	остальное

при этом часть газотворного синтетического композиционного материала в количестве 1,0-10,0% от массы металлошихты разогревают до 100-900°C и вводят отдельно на подину печи, наряду с металлошихтой, слоем не более 0,5 м, а оставшееся количество газотворного синтетического композиционного материала распределяют в составе металлошихты перед ее введением в металлическую ванну.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что непрерывную загрузку металлошихты осуществляют сбоку сталеплавильного агрегата, а газотворный синтетический композиционный материал формируют в виде верхнего слоя смеси металлошихты и газотворного синтетического композиционного материала.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что газотворный синтетический композиционный материал дополнительно содержит углеродсодержащий материал в количестве 0,5-5 мас.%, при этом 10-95% его углерода подвергают окислению в процессе плавки.

Современные технологии и способы производства стали

В настоящее время технологические инновации являются определяющим фактором в поддержании конкурентоспособности металлургии на мировом рынке. Каковы основные тренды отрасли на сегодняшний день и что позволит подготовиться к предстоящим вызовам на мировом рынке?

Тенденции в мировой металлургии

Металлургия на самом деле не такая уж и консервативная отрасль, как принято считать, и она не отстает от других отраслей в следовании основным мировым тенденциям.

Главный упор сегодня делается на «зеленое производство стали». Это позволит отрасли выстоять перед лицом экологических проблем и давлением со стороны регулирующих органов.

Растущий спрос на высококачественные марки стали потребует особого внимания к оборудованию как на новых, так и на модернизированных предприятиях, а диджитализация будет неотъемлемой частью всех этапов производственной деятельности.

Если говорить общими словами, то будущее производства металлов будет устойчивым, безуглеродным, безопасным, интеллектуальным, модернизированным, и оно, вероятно, приведет к созданию материалов с такими свойствами, в которые сегодня сложно поверить. Но обо всем по порядку.

Водород против углерода

Уже не нужно никому доказывать необходимость перехода на «зеленое производство стали», которое призвано сделать процесс производства более экологичным. В этом ключе есть несколько направлений. Первое из них сейчас считается наиболее перспективным – это отказ от углерода в пользу водорода. Углеродный восстановитель различными способами заменяется водородом.

Основанное на водороде решение для прямого восстановления, которое позволяет напрямую использовать любые виды железой руды, может практически исключить углеродный след при производстве железа. Выбросы углекислого газа будут близки к нулю. Побочные продукты будут переработаны, а процессы будут выполнены с максимальной энергоэффективностью.

Активно развивать эту технологию уже начали такие металлургические гиганты, как ArcelorMittal, voestAlpine, SSAB, Dillinger и ряд других производителей. Японский Nippon Steel заявлял о своих намерениях к 2025 отказаться от технологии использования углерода в пользу водорода. На данный момент промышленной установки такой нет, а когда она будет запущена, то какое-то время будет работать в малых масштабах. Тем не менее, эти разработки обнадеживают. Пилотные производственные агрегаты обещают ввести в эксплуатацию уже в 2021 году.

Прямое восстановление железа

Второе «зеленое» направление, которое уже давно применяется в металлургии – это бездоменное получение полупродукта для последующего изготовления стали путем прямого восстановления железа из высокожелезистого сырья специальными технологиями (Midrex, Arex, Hyl и т.д.). На выходе получается так называемое металлизированное сырье – горячебрикетированное железо (HBI), металлизированные окатыши DRI (Direct Reduced Iron), губчатое железо. Это металлический продукт с высоким содержанием железа, вплоть до 99%, который может сразу же использоваться в сталеплавильном переделе для получения стали. На сегодняшний день такое железо прямого восстановления является основным при производстве электростали, как замещение лома и других железосодержащих ингредиентов. Эта технология развивается уже более 30 лет. В той или иной степени ее эффективность доказана, но такая технология требует либо изначально высокочистого рудного материала – железорудного сырья с высоким содержанием железа и низким содержанием примесей, либо наличия больших энергетических мощностей.

Именно поэтому такие линии размещаются в Бразилии, Австралии в районе горнодобывающих предприятий, где имеется в наличии очень хорошая руда, а также на Ближнем Востоке, где в избытке – дешевый газ, который используется для восстановления железа из железосодержащего сырья.

Сегодня технология прямого восстановления уже достигла своего пика и является одной из самых передовых и широко используемых.

Кислородно-конвертерный и электросталеплавильный процессы

Если говорить о современных сталеплавильных технологиях, ключевыми являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный процессы. Мартеновский способ выплавки стали в мировой металлургии используется все меньше. И это в большей степени связано снова же с «зеленой экологией». Как известно, мартеновская плавка длится 9 часов, а конвертерная и электросталеплавильная – 50 минут. Да, конвертер и электропечь требуют дополнительного оборудования, в то время как в мартене, по большому счету, можно сделать все в одном месте, но тем не менее – мартеновское производство более затратно с точки зрения энергоресурсов и экологии. Для него используется природный газ, в результате чего в атмосферу идут серьезные выбросы. Уже сегодня около 70% стали выплавляется в конвертерах, 29% выплавляется в электропечах и совсем немного – в мартеновских печах.

Совмещенные процессы выплавки и прокатки металла

Говоря о выплавке металла, стоит отметить, что все большее распространение получают совмещенные процессы выплавки и прокатки.

В одном цехе устанавливается плавильный агрегат – конвертер либо электропечь, происходит непрерывная разливка на МНЛЗ (машине непрерывного литья заготовок), из которой только застывшие горячие слябы, блюмы или заготовки поступают сразу же в прокатку. Эти агрегаты называются литейно-прокатными модулями или литейно-прокатными агрегатами.

Сегодня во всем мире большинство новых технологических линий стараются строить в том или ином модульном виде. Это позволяет экономить площади, сокращает логистические издержки и время выполнения заказа.

Особенностью такой технологии является наличие очень высокой культуры производства и высококвалифицированного персонала. В противном случае высок риск получения брака конечной продукции (здесь не получится «перехватить» брак на каком-то определенном этапе производства, а только лишь в финале). Все агрегаты должны работать слаженно, и персонал должен быть максимально компетентным, чтобы минимизировать риски получения брака в готовой продукции.

Сейчас уже есть такие модули, которые совмещают не только плавление, разливку и горячую прокатку, но еще и дополнительно к этому – холодную прокатку рулонов или длинномерного проката, вытяжку проволоки и пр. То есть на выходе из цеха получается не только горячекатаный прокат, но и продукция более высоких переделов.

Отдельным направлением совмещенного производства при изготовлении рулонов является так называемая валковая прокатка, при которой сталь из сталеплавильного агрегата разливается не на машине непрерывного литья, а через небольшой кристаллизатор на специальные водоохлаждаемые валки, и застывает непосредственно на них. Затем сталь смыкается в полосу и идет в горячую прокатку. Такие технологии больше развиты в цветной металлургии, особенно в алюминиевом производстве полосы и рулонов.

В черной металлургии самый популярный подобный агрегат находится в США, на заводе компании Nucor, и позволяет получать уникальные структуры, которые невозможно получить какими-либо альтернативными способами. Преимущественно такая продукция используется в автомобильной и аэрокосмической отрасли.

Упрочненные марки стали

Важной тенденцией в металлургии на сегодняшний день является переход от рядовых марок стали к высокопрочным (термомеханически упрочненным, закаленным, двухфазным, упрочняемых при сушке покрытия и др.). Особенно это заметно в автомобилестроении, где постоянно растущие нормы безопасности и экономии топлива вынуждают производителей разрабатывать более легкие, экологичные и надежные машины. Обычные высокопрочные (HSS) и прогрессивные высокопрочные (AHSS) стали в течение последних десяти лет все в большей степени заменяют мягкие аналоги в кузовах автомобилей. Типичный современный автомобиль содержит около 30% HSS и 30% AHSS с дальнейшей тенденцией к снижению доли «мягких» низкоуглеродистых низколегированных сталей. Развитие стального проката для автомобилестроения осуществляется под эгидой Международного института чугуна и стали и других профильных ассоциаций.

Цифровые технологии в металлопроизводстве

Диджитализация – еще одно важное направление в современной металлургии. Она полностью автоматизирует все установки и предполагает использование роботов в опасных рабочих зонах, что значительно повысит безопасность на рабочем месте. Системы мониторинга состояния (CMS) и дополненная реальность (AR), среди прочего, облегчат техническое обслуживание. Процессы будут оптимизированы с помощью искусственного интеллекта. Дефекты конечных продуктов станут незначительными.

Реновации наравне с инновациями

Помимо того, что имеет место определенное развитие новых технологий, традиционные тоже нельзя списывать со счетов, они модернизируются и усовершенствуются с целью повысить качество выпускаемого продукта и обеспечить его конкурентоспособность на перенасыщенном рынке.

Так, например, Метинвест с этой целью развивает несколько направлений: реконструкция существующих агрегатов и строительство новых инновационных агрегатов.

Если говорить о реконструкции – она происходит непрерывно в той или иной степени. На доменных печах предприятий компании появляются системы очистки, на аглофабриках внедряется система аспирации, модернизируются существующие прокатные станы. Значительно снизить затраты компании и улучшить качество готовой продукции помогает строительство новых агрегатов на имеющихся предприятиях.

Так, например, в 2018 году на Мариупольском металлургическом комбинате имени Ильича была установлена машина непрерывного литья №4, появилась новая печь-ковш, в 2018-2019 гг. поэтапно был модернизирован стан 1700. Благодаря этому уже сейчас производится горячекатаный рулон толщиной от 1,2 мм до 8 мм и массой до 27 тонн в соответствии с самыми современными Европейскими стандартами качества. В 2020 году на стане будет установлена еще одна моталка, которая позволит увеличить вес рулона до 32 тонн. При этом максимальная толщина сматываемой полосы достигнет 16 мм.

Если говорить о подобных проектах на других предприятиях Группы Метинвест, важно отметить запуск новой домны на «Запорожстали», реконструкцию домны на «Азовстали» и на комбинате имени Ильича. Благодаря новой степени автоматизации на предприятиях в Мариуполе и Запорожье улучшается контроль за технологическими параметрами и за выпуском чугуна из печей. Работы ведутся и по конвертерам.

В планах – установить на комбинате «Запорожсталь» современный литейно-прокатный модуль, который совместит в себе кислородно-конвертерный цех, непрерывную разливку стали и производство рулонов. Реновации затронули и зарубежные предприятия Группы «Метинвест». На Metinvest Trametal (Италия) появилась линия по дробеструйной обработке и окрашиванию толстого листа, которая помогает устранить проблему коррозии и обеспечит сохранность металла до момента его переработки в готовое изделие. И это лишь малая часть тех изменений, которые постоянно происходят на предприятиях группы.

Стремление передовых металлургических компаний удовлетворять запросы как рынка в целом, так и отдельных клиентов, разработка новых продуктов, диджитализация процессов, усовершенствование имеющихся технологий и имплементация новых «зеленых» проектов являются движущими силами в развитии как отечественной, так и мировой металлургии на сегодняшний день.

как скоро декарбонизируется мир — Мнения — GMK Center

Сейчас пока еще нет зрелых технологий декарбонизации, доступных для промышленного использования

В последнее время проблема глобального изменения климата обсуждается как никогда остро. Предлагаются возможные пути ее решения. Большие надежды связывают с сокращением выбросов углекислого газа предприятиями промышленности и электроэнергетики.

Металлургия не может оставаться в стороне от этих процессов, поскольку на нее приходится около 5% глобальных выбросов СО₂. Неудивительно, что в рамках European Green Deal планируется отдельно разработать предложения по поддержке безуглеродного производства стали.

Вместе с тем возникают логичные вопросы: каковы реалистичные сроки декарбонизации? Разве, учитывая остроту проблемы, нельзя решить ее быстро? Заинтересованы ли металлургические предприятия в снижении выбросов или они всячески препятствуют ужесточению экологических стандартов?

Не на все вопросы есть однозначные ответы. Металлургические предприятия, безусловно, стремятся удовлетворять потребности клиентов и учитывать интересы общества. С обеих сторон есть запрос на декарбонизацию, и металлургические заводы заинтересованы его удовлетворить, но не все зависит от их желания. Рассмотрим детальнее, почему.

Во-первых, в настоящее время отсутствуют зрелые технологии декарбонизации, доступные для промышленного использования. Разработки ведутся в двух основных направлениях:

• как использовать СО₂, который выделяется в текущих производственных процессах;
• как предотвратить выбросы СО₂ путем замены технологии производства.

В обоих направлениях реализуются пилотные проекты при участии ведущих мировых металлургических компаний (ArcelorMittal, ThyssenKrupp, Tata Steel, Voestalpine и др.). Для достижения коммерческой зрелости еще требуется время. По оценкам ArcelorMittal, полноценное улавливание и утилизация СО₂ на металлургических комбинатах станут возможными не ранее, чем через 5-10 лет. Внедрение прорывных, принципиально новых технологий производства (например, с применением водорода) может состояться в 2030-2035 гг.

Во-вторых, декарбонизация требует больших инвестиций. По расчетам Voestalpine, внедрение прямого восстановления железа водородом с выплавкой стали в электродуговых печах потребует €1 тыс. инвестиций в пересчете на тонну стали. В случае необходимости строительства установки электролиза для производства водорода и ветровых электростанций эта сумма возрастает до €4 тыс. Не каждая компания может осуществить такие инвестиции за свой счет, поэтому вопрос источников инвестиций в контексте декарбонизации – один из наиболее острых.

В-третьих, декарбонизация приведет к росту себестоимости производства стали и, соответственно, цен на конечную продукцию. По оценкам Voestalpine, в текущих условиях в результате перехода на прямое восстановление железа водородом себестоимость вырастет почти в два раза. Конечно, в перспективе этот разрыв сократится за счет снижения цен на водород и «зеленую» электроэнергию. Например, Agora Energiewende считает, что в 2050 году себестоимость производства стали с использованием водорода будет на 35-60% выше, чем сейчас (с использованием нынешних технологий). В итоге за декарбонизацию заплатят конечные потребители, но насколько они к этому готовы?

В-четвертых, настоящая декарбонизация формирует дополнительный спрос на электроэнергию из возобновляемых источников. Декарбонизация электроэнергетики является необходимым условием для декарбонизации металлургии, в которой «чистая» электроэнергия необходима для получения водорода, работы электродуговых печей, улавливания и использования СО₂. Существующие объемы электроэнергии из возобновляемых источников явно не смогут покрыть дополнительные потребности, а строительство новых энергогенерирующих мощностей требует времени и инвестиций.

В-пятых, декарбонизация сталкивается с ограниченностью необходимых сырьевых ресурсов. В частности, один из вариантов – переход на электродуговую выплавку стали из лома. Однако запасы лома ограничены, собираемого сырья недостаточно для удовлетворения существующего спроса на сталь.

В-шестых, с учетом всех вышеперечисленных факторов, возникают сомнения в том, что сейчас можно произвести достаточно «зеленой» стали для обеспечения всех потребностей рынка. Следовательно, необходимо еще создавать условия, которые сделают выполнение этой цели реальным. В данном случае важную роль играет государственная экономическая и экологическая политика.

В-седьмых, возможности кислородных конвертеров и электродуговых печей по выплавке разных марок стали отличаются. На данный момент непонятно, сможет ли электродуговая выплавка стали, которая считается наиболее прогрессивной технологией декарбонизации, обеспечить производство всех необходимых марок стали.

Декарбонизация металлургии может идти разными путями. Окончательный выбор еще не сделан, но уже точно видно, что декарбонизация – неотвратимый процесс. Его скорость зависит от разных факторов, в том числе от желания участников активизировать сотрудничество друг с другом. Ускорить декарбонизацию можно, например, как это делают в ЕС – путем системной государственной политики. Это комплекс ограничивающих и, параллельно с этим, стимулирующих мер. Но об этом в другой раз.

Оригинал материала опубликован на liga.net

Производство стали без угля: давайте поговорим об угле

Краткий ответ на этот вопрос – нет, в настоящее время не в масштабе.

Выпуск

Сталь

– это сплав железа с углеродом (0,002–2,1% по весу) и другими металлами по мере необходимости. Типичными добавками являются: никель, хром, марганец, молибден, титан, ванадий или вольфрам, в зависимости от требуемых физических свойств, например, антикоррозийные, легкие, жесткие, термостойкие, эластичные или дешевые.Как материал, сталь сочетает в себе высокую прочность на разрыв с низкой стоимостью. Это один из строительных блоков цивилизации.

Если представить масштаб, то в мире ежегодно производится около 1,6 миллиарда тонн стали, половина из которых приходится на Китай. Другие крупные производители: Япония, Индия, США, Корея и Россия. Это энергоемкий бизнес, в котором технологические достижения позволили снизить потребность в энергии на 60% за последние 50 лет.

Сегодня используется около 0,8 тонны угля и 2.1 тонна CO ₂ выбрасывается из сырья для производства каждой тонны стали (отдельно от угля или газа, используемых для выработки электроэнергии). По оценкам Международного энергетического агентства, на мировую металлургическую промышленность приходится 6,7% мировых выбросов CO ₂ . Это значительный показатель, и его необходимо будет улучшить по мере перехода мира к низкоуглеродному будущему. Это будет сложно.

Производство стали традиционными методами

Во-первых, железо выплавляется из минеральной руды.Обычно это оксид железа, такой как гематит или магнетит. Температура печи, превышающая 1600 ° C, приведет к высвобождению чугуна в форме «чушкового чугуна», так называемого из-за формы слитков. Это хрупкий материал, содержащий до 4,5% углерода. Исторически первым топливом, используемым для обогрева плавильных печей, была древесина, а позднее – древесный уголь (который изготавливали из дерева).

Самые ранние стали появились в Анатолии (с 1800 г. до н. Э.), Восточной Африке (с 1400 г. до н. Э.), Южной Индии (с 600 г. до н. Э.) И в Китае (с 400 г. до н. Э.).Римские военные использовали стальное оружие. Производство стали из чугуна требует снижения содержания углерода, чтобы получить полезный металл.

Переход на использование угля в производстве стали относится к 11 веку в районе Хуанхэ в Китае, где деревья были редкими. В частности, уголь был преобразован в «кокс» путем его нагревания в условиях кислородного голодания, чтобы удалить воплощенную воду и летучие органические химические вещества. В результате получается твердый серый пористый материал, состоящий в основном из углерода.Он имеет гораздо более высокую энергетическую ценность, чем уголь, и лучше приспособлен для получения высоких температур при плавке.

Кокс вошел в употребление в Великобритании в 1700-х годах, отчасти из-за его более высокой прочности на раздавливание, чем у угля. Доменные печи для производства чугуна и стали можно было строить все выше и больше, чтобы улучшить эффект масштаба. Растущий спрос на сталь по мере развития промышленной революции намного превышал способность лесов служить топливом и источником углерода.

В настоящее время почти вся новая сталь в мире производится с использованием оксида железа и коксующегося угля. Коксующийся уголь – это, как правило, битуминозный уголь с особыми качествами, которые необходимы в доменной печи.

Несмотря на то, что все больше стали перерабатывается, в настоящее время не существует технологии для производства стали в масштабе без использования угля.

Экспорт коксующегося угля из Новой Зеландии обеспечивает рабочие места, столь необходимую экспортную выручку и не вносит вклад в счет выбросов углерода Новой Зеландии.Новозеландский коксующийся уголь обладает некоторыми особыми качествами и пользуется большим спросом на международном рынке. Если мы не будем поставлять коксующийся уголь, клиенты будут покупать его у других поставщиков, часто у производителей с более низкими экологическими стандартами.

Это означает, что перегонный куб по-прежнему будет производиться, не будет чистой выгоды для глобальной окружающей среды, но рабочие места в Новой Зеландии будут потеряны. К сожалению, политикам Веллингтона эта реальность кажется упущенной.

Производство стали в Новой Зеландии

New Zealand Steel использует титано-магнетитовые чугуны и на своем заводе в Гленбруке и экспортирует те же чугуны, которые будут использоваться в качестве незначительной доли на традиционных сталелитейных заводах.Завод использует процесс прямого восстановления для производства железа из чугуна до того, как его превратят в сталь. Ни одна другая компания в мире не производит сталь таким же образом. Значительные улучшения были достигнуты в энергоэффективности за счет когенерации (с использованием отработанного тепла), когда New Zealand Steel производит до 70% собственной потребности в электроэнергии.

Производство стали без угля

Это святой Грааль для тех, кто стремится к выбросам, и в международном масштабе проводились значительные исследования способов сокращения или устранения выбросов CO. ₂ .

Переработанная сталь

Ежегодно из лома перерабатывается около 500 миллионов тонн стали, или 31% от общего мирового производства стали. Это очень высокий процент вторичного использования любого материала. Когда утверждают, что сталь можно производить в электродуговых печах (а не в доменных печах с интенсивным выбросом вредных веществ), именно об этом и говорят.

Чтобы подчеркнуть важность вторичного использования в производстве стали, Всемирная ассоциация производителей стали заявляет, что средней доменной печи требуется 800 кг угля для производства тонны стали, в то время как средней электродуговой печи (использующей в основном переработанную сталь) требуется всего 16 кг угля.

Загрузите информационный бюллетень здесь

Конечно, для управления выбросами CO ₂ в результате переработки стали необходимо, чтобы ввод электроэнергии производился из возобновляемых источников.

В общем, переработка осуществляется в соответствии с экономическими соображениями, правилами или совестью. Что касается заявлений о том, что 80% стали может быть переработано, это будет зависеть от отрасли. По оценкам NZ Steel, для зданий уровень переработки стали может достигать 85% ¹ .

Использование биоуглерода в производстве стали

Биоуглерод производится из древесины или древесных отходов.Важно отметить, что этот источник углерода для производства стали можно квалифицировать как возобновляемый, только если древесина создается быстрее (за счет выращивания деревьев), чем ее рубят и сжигают.

В той мере, в какой древесный уголь может использоваться в производстве стали (или цемента) во всем мире для замены угля, сомнительно, будет ли такое использование древесины считаться экологически устойчивым, особенно если этот огромный сдвиг в землепользовании вытеснил продукты питания. производство.

В Новой Зеландии компания NZ Steel ² провела испытания 9000 тонн биоуглерода, поставляемого Carbonscape, в качестве метода производства стали с низким уровнем выбросов.Чтобы представить это в контексте, NZ Steel использует около 800 000 тонн новозеландского или импортного угля каждый год для производства чугуна, а затем стали на своем заводе в Гленбруке. Пока еще нет мнения об успехе этого испытания как коммерчески жизнеспособного метода.

Выплавка чугуна электролизом

Об интригующем способе отделения железа от руды в Массачусетском технологическом институте было сообщено в Scientific American ³ (май 2013 г.) В то время был всплеск интереса в СМИ, но обещанная демонстрация в промышленном масштабе еще не появилась.

Метод заключается в использовании среды приема расплавленных оксидов металлов, в которой железная руда растворяется, а затем пропускания через нее электрического тока для осаждения железа на положительно заряженные электроды. На сегодняшний день в качестве электрода используются очень дорогие платина или иридий, поскольку эти металлы могут выдерживать 1600 ° C. Прорыв состоял в создании гораздо более дешевых сплавов хрома, которые также могут выполнять эту работу. Также заявлено 30% повышение энергоэффективности.

Таким образом, хотя исследования продолжаются в Новой Зеландии и во всем мире, в настоящее время нет жизнеспособной альтернативы использованию угля в крупномасштабном производстве стали.

Ссылки

1. http://www.nzsteel.co.nz/sustainability/recycling/
2. http://www.nzsteel.co.nz/
3. http://www.scientificamerican.com/article/cleaner -дешевле-производить-сталь-использует-электричество /

6 Сталелитейная промышленность | Технологии разделения для отраслей будущего

автомобилей и материалы, из которых они изготовлены, такие как использование подключаемых к электросети электрических компонентов, которые могут быть восстановлены перед измельчением, могут иметь большее влияние, чем улучшенные методы разделения лома измельчителя.

Железо прямого восстановления

С самого начала «революции мини-заводов» более 30 лет назад большое внимание уделялось прямому восстановлению железа (DRI). Все изученные процессы были направлены на удаление кислорода из железной руды в твердом состоянии. К 1960-м годам было построено несколько заводов, использующих процессы на основе угля и природного газа. Некоторые из них находились в местах, где было бы оправдано строительство небольшого сталелитейного завода, а лом для более традиционной установки EAF был недоступен (например, Новая Зеландия).В Соединенных Штатах лом был предпочтительнее из-за стоимости, как капитальной, так и эксплуатационной. В 1970-х годах реформированный газ стал предпочтительным топливом / восстановителем, хотя некоторые угольные электростанции уже работали, и продолжалась разработка некоторых технологических процессов с использованием угля.

Существует сильный положительный стимул для использования высококачественного сырья для прямого восстановления, поскольку шлакообразующие жильные минералы в DRI накладывают дополнительную нагрузку на EAF. Подходящее сырье в идеале содержит не более 3 процентов диоксида кремния плюс оксид алюминия, но очень немногие природные руды достигают этого уровня чистоты.Поэтому сырье обычно тонко измельчается, обогащается магнитной сепарацией, флотацией или обоими способами и перед восстановлением восстанавливается в виде обожженных оксидных гранул. После восстановления продукт обычно содержит 88 процентов или более металлического железа, 8 процентов или менее невосстановленного оксида железа и около 2 процентов кремнезема и других компонентов.

Готовые гранулы DRI очень реактивны. Он имеет большую внутреннюю поверхность, повторно окисляется при контакте с влажным воздухом и может даже гореть при контакте с водой.Гранулы DRI, очевидно, создают проблемы при хранении и транспортировке, и производители пробовали множество различных средств их устранения. Наиболее широко используемым средством сегодня является горячее брикетирование, процесс, при котором окатыши прямого восстановления в защитной атмосфере брикетируются для уменьшения площади их поверхности и герметизации внутренних поверхностей. Брикеты DRI можно обрабатывать, хранить и отправлять даже через океаны.

Более свежей альтернативой, имеющей свои преимущества, является производство карбида железа (Fe ₃ C).Сырьем для этого метода также должна быть высококачественная руда или окатыши, а в качестве топлива используется реформированный природный газ, но продукт стабилен и не требует брикетирования. В настоящее время создаются первые твердосплавные заводы, но еще предстоит увидеть, насколько хорошо карбид железа будет конкурировать с более традиционным DRI.

DRI (и карбид) имеют несколько преимуществ перед ломом. Во-первых, они могут разбавлять примеси, например медь. Во-вторых, они являются стабильными и предсказуемыми источниками высококачественных кормов.В-третьих, они являются средством «импорта» дешевой энергии из мест, где легко доступен природный газ. Наконец, они могут выступать в качестве защиты от роста цен на металлолом. Однако они требуют капитальных вложений, которые не связаны с использованием лома.

Очиститель, более дешевый способ изготовления стали с использованием электроэнергии

Пожары, в которых выплавляется железо, также нагревают планету, но исследователи работают над способами производства металлов более высокого качества с меньшими выбросами парниковых газов, что потенциально может дать U.S. Steelmakers – преимущество на конкурентном мировом рынке.

В отчете, опубликованном вчера в журнале Nature , подчеркивается шаг в этом направлении, когда для извлечения железа используется электричество, а не тепло.

Благодаря тысячелетнему развитию и двухвековой индустриализации производство чугуна и стали является зрелым процессом во всем мире. В 2011 году производители произвели во всем мире около 100 миллиардов метрических тонн железа.

От добычи руды до плавки и отпуска сплавов – этот процесс энергоемкий, и инженеры добивались улучшений примерно до тех пор, пока сталь покрывала топоры, формировала броню и приводила в движение механизмы.

«Это означает, что большая часть низко висящих плодов собрана, а процессы, которые мы должны производить [металлы], приближаются к пределам физических возможностей», – пояснил Лоуренс Кавана, президент Института развития рынка стали.

Хотя железо является наиболее распространенным элементом земной коры, обычно оно находится в форме руды. Согласно прошлогоднему отчету U.S. EPA по выбросам парниковых газов в черной металлургии.

Открытие недорогого анода
«Для металлургического комбината основными источниками выбросов парниковых газов являются доменные печи (43 процента), различные источники сжигания природного газа и технологических газов (30 процентов), другие технологические установки (15 процентов) и косвенные выбросы от использования электроэнергии (12 процентов). ) », – говорится в отчете, оценивая, что в 2010 году сталелитейная промышленность США произвела 117 миллионов тонн углекислого газа.

Но есть и другие способы вытащить железо из камней. Растворение руды в расплавленном электролите и пропускание через него тока может восстановить оксиды железа до более пригодной для использования формы и в то же время произвести кислород. «Настоящая проблема здесь – найти неплавящийся анод, который может выдержать этот процесс», – сказал Дональд Садоуей, профессор химии материалов в Массачусетском технологическом институте и соавтор нового отчета.

В предыдущих попытках электролиза руд использовались аноды, сделанные из дорогих элементов, таких как платина и иридий, или компоненты ломались при температурах 1600 градусов Цельсия, необходимых для поддержания жидкого электролита на основе оксида металла.

Садоуи и его команда обнаружили, что анод, сделанный из сплавов на основе хрома, может выдержать этот процесс. Эти материалы также дешевы. «Если вы получите что-то более качественное, но гораздо более дорогое, это никому не нужно», – сказал Садовей.

Использование электролиза для производства металлов имеет несколько преимуществ по сравнению с доменной печью. Получаемые металлы чище, потому что в процесс вносится меньше загрязняющих веществ. «Электролитический путь на самом деле потребляет меньше энергии», – отметил Садовей, добавив, что он может быть на 30 процентов эффективнее, чем традиционные методы.

Экономическая выгода для промышленности США
Эти методы могут помочь производителям из США проложить путь к более энергоэффективному производству стали, создавая рыночные преимущества за счет более качественных металлов с меньшим углеродным следом. Электролиз также может помочь снизить цены.

«Энергия – это большие затраты на сталь», – сказал Кавана. Он также заметил, что 40 процентов стали продается, поэтому любые изменения в производстве будут иметь глобальные последствия.

Тем не менее, Кавана отметил, что электролиз настолько чист, насколько чиста сеть, которая питает его, поэтому, если энергия поступает от угольной электростанции, может не быть никакой экономии на выбросах углерода.

«Если бы вашим источником электричества была возобновляемая энергия, это уменьшило бы углекислый газ на 10 процентов», – сказал Дерек Фрей, заслуженный профессор химии материалов в Кембриджском университете. Вчера Фрей написал статью в Nature , комментируя работу Садоуея.

Другой вопрос – перепроектирование сталелитейных заводов для проведения электролиза. Как известно, указанные доменные реакции протекают в трех измерениях, в то время как реакции в электролитической ячейке протекают в двух измерениях.Таким образом, задача состоит в том, чтобы спроектировать завод по производству электролизной стали, который не намного больше обычного завода.

В своей статье Фрей также предположил, что электролиз металлов можно использовать для производства кислорода на других планетах, «делая человеческую колонизацию Солнечной системы более возможной».

Сейчас исследователи работают над увеличением производства электрометалла. Садовей сказал, что до демонстрационной установки еще около трех лет, но системы будут аналогичны элементам, используемым для извлечения алюминия.

Он признал, что внести эти радикальные изменения в одну из самых знаковых отраслей в мире, основанную на многовековых знаниях, будет сложно и отнимет много времени, отметив свои собственные два десятилетия исследований жидких металлов. «Люди, которые хотят мгновенного вознаграждения, они не работают в этой сфере», – сказал он.

Исправление: Сорок процентов мировой стали продается, а не экспортируется, исправляя более раннюю версию этой истории.

Перепечатано из Climatewire с разрешения Environment & Energy Publishing, LLC.www.eenews.net, 202-628-6500

Насколько экологичной может стать сталь – и что это означает для угля и железной руды?

Сталелитейная промышленность, которая составляет около 10% мировых выбросов, находится под давлением, требующей очистки. Рост затрат на углерод и строгие экологические инвестиционные критерии вызвали гонку за разработку процесса производства стали с нулевым содержанием углерода. Новые технологии развиваются медленно, но с огромными последствиями для затрат и сырья.

Итак, как выглядит путь к экологически чистой стали – и что он означает для металлургического угля и железной руды?

Группа экспертов Wood Mackenzie обсудила эту тему на недавнем вебинаре.Если вы его пропустили, заполните форму на этой странице, чтобы прослушать повтор. Или прочтите обзор некоторых обсуждаемых вопросов.

Лом – основа зеленого производства стали

Производство первичного чугуна требует значительных выбросов, поэтому первым логическим шагом к сокращению выбросов является повторное использование имеющегося лома. Но лом не может удовлетворить все требования к металлу – запасы ограничены, инфраструктура сбора фрагментирована, а качество лома может ограничивать использование переработанной стали.

Важно отметить, что выбросы категории 2 для электродуговых печей (ЭДП) могут быть высокими без доступа к возобновляемым источникам энергии.Хотя производство электроэнергии из возобновляемых источников энергии ускоряется, она, вероятно, останется небольшой частью электроэнергии, поставляемой на ЭДП.

Потребуется производство первичного чугуна

Даже при более высоком уровне утилизации лома для производства стали потребуется производство чистого чугуна с его часто неизбежными выбросами CO2.

Два основных способа производства железа будут идти разными путями до обезуглероживания. Первый – в том числе доменные – это плавка. Многочисленные подходы нацелены на сокращение выбросов при плавлении, но большинство предлагают лишь незначительную выгоду, поскольку уголь является неотъемлемой частью процесса.И все же, поскольку это самый экономичный способ производства чугуна, для удовлетворения требований к металлическому покрытию потребуется выплавка. Здесь выбросы неизбежны, а развитие технологий сосредоточено на улавливании и повторном использовании CO2.

Второй способ производства железа – прямое восстановление руды с использованием газа. Синтез-газ и природный газ уже давно используются в этих процессах, но в настоящее время акцент сместился на использование водорода, который обеспечивает практически нулевые выбросы Scope 1. Однако на данный момент это компромисс с более высокими выбросами Scope 2 от водорода, произведенного из природного газа.Потребуется массовое масштабирование низкоуглеродного водорода, прежде чем он сможет предложить значимое сокращение выбросов в сталелитейной промышленности.

В дальнейшем, когда доступ к возобновляемой энергии будет достаточным, электроемкий электролиз станет жизнеспособной технологией для производства стали. В целом декарбонизация стали будет технологической эволюцией, в которой будут задействованы три рычага – лом, альтернативное производство чугуна и улавливание углерода.

Увеличение использования лома может снизить потребление металлургического угля и железной руды

Металлургический уголь является основным источником выбросов CO2 при производстве первичного чугуна.Спрос на уголь снизится, когда экологические соображения выйдут на первый план в политике. Дорогостоящие горнодобывающие компании, экспортирующие продукцию клиентам в Атлантическом бассейне, будут подвержены наибольшему риску.

обработка железа | Britannica

Изучение производства и структурных форм железа от феррита и аустенита до легированной стали

Железная руда – один из самых распространенных элементов на Земле, и одно из основных ее применений – производство стали. В сочетании с углеродом железо полностью меняет характер и становится легированной сталью.

Encyclopædia Britannica, Inc. См. Все видео для этой статьи

Обработка железа , использование процесса плавки для превращения руды в форму, из которой можно вылепить продукты. В эту статью также входит обсуждение добычи чугуна и его подготовки к плавке.

Железо (Fe) – это относительно плотный металл с серебристо-белым внешним видом и отличительными магнитными свойствами. Он составляет 5 процентов от веса земной коры и является четвертым по распространенности элементом после кислорода, кремния и алюминия.Он плавится при температуре 1538 ° C (2800 ° F).

Железо аллотропно, то есть существует в разных формах. Его кристаллическая структура является объемно-центрированной кубической (ОЦК) или гранецентрированной кубической (ГЦК), в зависимости от температуры. В обеих кристаллографических модификациях основная конфигурация представляет собой куб с атомами железа, расположенными по углам. Есть дополнительный атом в центре каждого куба в модификации ОЦК и в центре каждой грани в ГЦК. При комнатной температуре чистое железо имеет ОЦК структуру, называемую альфа-ферритом; это сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется до 912 ° C (1674 ° F), когда он трансформируется в структуру с ГЦК, известную как аустенит.При дальнейшем нагревании аустенит остается до тех пор, пока температура не достигнет 1394 ° C (2541 ° F), после чего снова появится ОЦК-структура. Эта форма железа, называемая дельта-ферритом, сохраняется до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления.

Чистый металл податлив и ему легко придать форму путем удара молотком, но, помимо специализированных электрических применений, он редко используется без добавления других элементов для улучшения его свойств. В основном он появляется в сплавах железа с углеродом, таких как стали, которые содержат от 0 до 0%.003 и около 2 процентов углерода (большая часть находится в диапазоне от 0,01 до 1,2 процента) и чугуны с содержанием углерода от 2 до 4 процентов. При содержании углерода, типичном для сталей, образуется карбид железа (Fe ₃ C), также известный как цементит; это приводит к образованию перлита, который в микроскоп можно увидеть как состоящий из чередующихся пластин альфа-феррита и цементита. Цементит тверже и прочнее феррита, но гораздо менее податлив, поэтому за счет изменения количества углерода можно получить очень разные механические свойства.При более высоком содержании углерода, типичном для чугунов, углерод может выделяться либо как цементит, либо как графит, в зависимости от условий производства. Опять же, получается широкий спектр свойств. Эта универсальность железоуглеродистых сплавов приводит к их широкому использованию в технике и объясняет, почему железо на сегодняшний день является наиболее важным из всех промышленных металлов.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

История

Есть свидетельства того, что метеориты использовались в качестве источника железа до 3000 г. до н.э., но извлечение металла из руд датируется примерно 2000 г. до н.э.Производство, по-видимому, началось в медеплавильных регионах Анатолии и Персии, где использование соединений железа в качестве флюсов для облегчения плавления могло случайно привести к накоплению металлического железа на дне медеплавильных печей. Когда производство чугуна было должным образом налажено, вошли в употребление два типа печей. Чашечные печи были сконструированы путем выкапывания небольшого отверстия в земле и обеспечения подачи воздуха из сильфона через трубу или фурму. С другой стороны, каменные шахтные печи полагались на естественную тягу, хотя иногда и использовали фурмы.В обоих случаях плавка включала создание слоя раскаленного угля, в который добавляли железную руду, смешанную с дополнительным количеством древесного угля. Затем произошло химическое восстановление руды, но, поскольку примитивные печи не могли достичь температуры выше 1150 ° C (2100 ° F), нормальным продуктом был твердый кусок металла, известный как блюм. Он мог весить до 5 килограммов (11 фунтов) и состоял из почти чистого железа с некоторым уловленным шлаком и кусками древесного угля. Затем для изготовления железных артефактов потребовалась операция формования, которая включала нагревание цветов в огне и удары молотком по раскаленному металлу для изготовления желаемых объектов.Изготовленное таким образом железо известно как кованое железо. Иногда кажется, что было использовано слишком много древесного угля, и сплавы железа с углеродом, которые имеют более низкие температуры плавления и могут быть отлиты в простые формы, были изготовлены непреднамеренно. Применение этого чугуна было ограничено из-за его хрупкости, и в раннем железном веке, похоже, только китайцы использовали его. В других странах предпочтительным материалом было кованое железо.

Хотя римляне построили печи с ямой, в которую можно было сливать шлак, до средневековья в методах производства чугуна мало что изменилось.К 15 веку многие блюмеры использовали невысокие шахтные печи с водной силой для приведения в действие сильфонов, а блюм, который мог весить более 100 килограммов, извлекался через верхнюю часть шахты. Последней версией такого цветущего очага стала каталонская кузница, просуществовавшая в Испании до 19 века. Другая конструкция, высокая печь для выдувания шаров, имела более высокую шахту и превратилась в 3-метровую (10 футов) высоту Stückofen , которая давала такие большие блюмэны, что их приходилось удалять через переднее отверстие в печи.

Доменная печь появилась в Европе в 15 веке, когда стало ясно, что чугун можно использовать для изготовления моноблочных ружей с хорошими характеристиками удержания давления, но было ли ее появление связано с влиянием Китая или было самостоятельной разработкой. неизвестный. Сначала разница между доменной печью и Stückofen была незначительной. Оба имели квадратное поперечное сечение, и основными изменениями, необходимыми для работы доменной печи, были увеличение соотношения древесного угля и руды в шихте и летка для удаления жидкого чугуна.Продукт доменной печи стал известен как чугун из-за метода литья, который включал пропускание жидкости в главный канал, соединенный под прямым углом с рядом более коротких каналов. Все это напоминало свиноматку, кормящую свой помет, и поэтому отрезки твердого железа из более коротких каналов были известны как свиньи.

Несмотря на военный спрос на чугун, для большинства гражданских применений требовался ковкий чугун, который до этого производился непосредственно в блочном цехе. Однако появление доменных печей открыло альтернативный производственный путь; это включало преобразование чугуна в кованое железо с помощью процесса, известного как чистовая обработка.Кусочки чугуна помещали на очаг для украшений, на котором сжигали древесный уголь с обильным притоком воздуха, так что углерод в чугуне был удален путем окисления, оставив после себя полутвердое ковкое железо. Начиная с 15 века, этот двухэтапный процесс постепенно вытеснил прямое производство чугуна, которое, тем не менее, сохранилось до 19 века.

К середине 16 века в юго-восточной Англии доменные печи эксплуатировались более или менее непрерывно. Увеличение производства железа привело к нехватке древесины для производства древесного угля и к его последующей замене углем в виде кокса – открытие, которое обычно приписывают Аврааму Дарби в 1709 году.Поскольку более высокая прочность кокса позволила ему выдерживать большую загрузку, стали возможны печи гораздо большего размера, а еженедельная производительность составляла от 5 до 10 тонн чугуна.

Затем появление паровой машины для привода выдувных цилиндров означало, что доменная печь могла быть снабжена большим количеством воздуха. Это создало потенциальную проблему, заключающуюся в том, что производство чугуна намного превысит возможности процесса оклейки. Ряд изобретателей пытались ускорить преобразование чугуна в ковкое, но наиболее успешной из них был англичанин Генри Корт, который запатентовал свою печь для лужения в 1784 году.Компания Cort использовала отражательную печь, работающую на угле, для плавления шихты чугуна, в которую был добавлен оксид железа для получения шлака. Перемешивание образовавшейся «лужи» металла привело к удалению углерода путем окисления (вместе с кремнием, фосфором и марганцем). В результате температура плавления металла повысилась, так что он стал полутвердым, хотя шлак оставался довольно жидким. Затем металл формуют в шарики и освобождают от максимально возможного количества шлака перед тем, как вынуть его из печи и сжать молотком.В течение короткого времени пудлинговые печи могли обеспечивать достаточно чугуна для удовлетворения требований к оборудованию, но снова мощность доменных печей резко возросла в результате изобретения шотландцем Джеймсом Бомонтом Нильсена в 1828 году печи горячего дутья для предварительного нагрева дутья. воздух и осознание того, что круглая печь работает лучше, чем квадратная.

Окончательное сокращение использования кованого железа было вызвано рядом изобретений, которые позволили печи работать при температурах, достаточно высоких для плавления железа.Тогда стало возможно производить сталь, которая является превосходным материалом. Во-первых, в 1856 году Генри Бессемер запатентовал свой конвертерный процесс для продувки воздухом расплавленного чугуна, а в 1861 году Уильям Сименс получил патент на свою регенеративную мартеновскую печь. В 1879 году Сидней Гилкрист Томас и Перси Гилкрист адаптировали преобразователь Бессемера для использования с фосфорным чугуном; в результате основной процесс Бессемера или Томаса получил широкое распространение на европейском континенте, где было много железных руд с высоким содержанием фосфора.В течение примерно 100 лет мартеновские и бессемеровские процессы совместно отвечали за большую часть производимой стали, прежде чем они были заменены кислородными и электродуговыми печами.

Помимо впрыска части топлива через фурмы, в доменной печи с начала 19 века использовались те же принципы работы. Однако размер печи заметно увеличился, и одна большая современная печь может снабжать сталеплавильный завод до 10 000 тонн жидкого чугуна в день.

На протяжении 20 века было предложено много новых процессов производства чугуна, но только в 1950-х годах появились потенциальные заменители доменной печи. Прямое восстановление, при котором железная руда восстанавливается при температурах ниже точки плавления металла, берет свое начало в таких экспериментах, как процесс Виберга-Содерфорса, введенный в Швеции в 1952 году, и процесс HyL, введенный в Мексике в 1957 году. Некоторые из этих методов выжили. а те, что сделали, были значительно изменены.Другой альтернативный метод производства чугуна, восстановительная плавка, был предшественником электрических печей, используемых для производства жидкого чугуна в Швеции и Норвегии в 1920-х годах. В эту технологию вошли методы, основанные на кислородных конвертерах для производства стали, использующих уголь в качестве источника дополнительной энергии, и в 1980-х годах она стала центром обширных исследований и разработок в Европе, Японии и США.

Производство высокоуглеродистой стали непосредственно в блюмерном процессе: теоретические основы и металлографический анализ результатов экспериментов

Эксперименты дали детальное представление обо всем спектре процессов, происходящих в блюмерной печи.(…) Это также показывает, что любая структура из системы железо-углерод может быть легко получена в процессе вспенивания и контролироваться опытным плавильщиком.

Проблема производства стали в древности интересовала исследователей, специализирующихся на древней металлургии на протяжении десятилетий. В ходе исследования в стипендии преобладали разные объяснения. Р. Дж. Форбс (1950, 405-412) в своей классической работе Металлургия в античности выделил три основных метода производства стали:

1. Сталь, полученная непосредственно в процессе обжига.Однако он указывает, что высокоуглеродистая сталь была лишь небольшой частью плавленого блюма и не могла удовлетворить потребность населения в высококачественном материале, используемом для производства необходимых инструментов. Форбс подтвердил свой тезис доказательствами того, что на древних плавильных заводах использовались бедные руды, низкая температура процесса и так далее.
2. В качестве второго метода Forbes упоминает возможность обезуглероживания чугуна, полученного в процессе плавки, но отвергает намеренное производство его в процессе восстановления.Фрагменты чугуна, которые иногда находят, в основном на римских металлургических предприятиях, являются (согласно Forbes) случайными побочными продуктами, которые были выброшены как бесполезные и непригодные для дальнейшей обработки.
3. Третья возможность – это производство стали путем науглероживания мягкого железа, обычно называемого цементацией или закалкой .

Это различие легло в основу наших знаний по предмету, и эти методы стали основой для дальнейших исследований и объяснений техники науглероживания, используемой в производстве инструментов и оружия.Долгое время основным методом подготовки считалась третья возможность. Это было оправдано хорошо известными и хорошо сохранившимися методами кузнечного дела и подтверждено во многих письменных источниках ( Theophilus Presbyter 1998; Biringuccio 1540; Porta a Neopolitane 1638) . Многие древние изделия из железа также имеют признаки упрочнения (Pleiner 2006, 200-202; Nosek 1966, 179-184; Piaskowski 1960, 201, 220). Однако здесь стоит отметить, что это единственный метод, который можно идентифицировать в конечных продуктах, которые ранее подвергались серьезной переработке.Кузнечная обработка искажает исходную структуру железа и делает невозможным определение механизма первичной науглероживания от стадии восстановления или стадии пост-восстановления. Некоторые исследователи утверждали возможность и правомерность получения стали обезуглероживанием чугуна, полученного в процессе обжига (Rehder 1989; Piaskowski 1958, 334-335). Однако эти аргументы не стали популярными (Wagner 1990; Pleiner 2000, 247–250). Количество находок фрагментов в виде чугуна, по-видимому, указывает на то, что это были ненужные и случайные продукты, оставленные в развалинах.Обезуглероживание чугуна – гораздо более сложный процесс, чем науглероживание, и требует более совершенной конструкции, чем типичная кузнечная кузница. Огромные потери материала во время процесса в кузнице говорят о малой вероятности использования этого метода в древности. Несмотря на то, что самые ранние находки чугуна в Европе относятся к римскому периоду (Pleiner 2000, 247-250), начало преднамеренного непрямого производства чугуна имело место где-то в 13 веке (Knau, Beier and Sӧnnecken 2001; Lucas 2005, 19), а первые сведения об обезуглероживании чугуна в кузнице для украшений относятся к рубежу XIV и XV веков (Radwan 1963, 126).

Исследования, проведенные за последнее десятилетие, привели к множеству новых открытий, которые дали совершенно новый взгляд на обсуждаемую тему. Я упомяну только самые важные из них, которые вдохновили мою статью. Эксперимент, проведенный П. Крю и его командой, показал невероятную легкость получения чугуна в обжиговой печи с приводом от ручных сильфонов (Crew 2004). Одним из выводов, содержащихся в статьях, посвященных исследованию блюма, образовавшегося в эксперименте, был тезис о том, что чугун является неизбежным побочным продуктом производства высокоуглеродистой стали, а не случайными и изолированными отходами (Crew, et al.2011, с.258). Бригада краковских металлургов добилась дальнейшего прогресса. Высокая науглероженность, наблюдаемая З. Кендзерским и Я. Стемпиньским (2006) на отдельных металлических изделиях и уплотнительных кольцах (железные куски, обнаруженные на производственных площадках; вероятно, полученные путем отделения от блюма во время его извлечения или удара молотком и обычно сильно науглероженные) с одновременным присутствием фосфора эвтектика побудила их внимательнее присмотреться к этой связи. Они заметили, что присутствие феррита и фосфида железа делает возможным локальное появление жидкой фазы при температурах около 1050 ° C, что легко достижимо в процессе вспенивания.Поскольку скорость диффузии углерода в жидком чугуне несравнимо выше, чем в твердом состоянии, даже кратковременное появление жидкой фазы делает возможным ее сильное науглероживание. Затем во время плавки и дальнейшей обработки углерод диффундирует в окружающие ферритные детали, увеличивая площадь науглероживания и тем самым уменьшая градиенты концентрации. Результаты этих исследований указывают на возможность получения во время процесса восстановления гораздо большего количества стали, чем позволяет диффузия, когда объект находится в твердом состоянии.

Еще один важный шаг был сделан С. Уильямсом и Л. Саудером (Sauder 2010), которые заново открыли процесс науглероживания в так называемой «печи Аристотеля». Тот же метод науглероживания железа хорошо известен и используется японскими мастерами-фехтовальщиками и называется процессом дзиганэ-ороси (Inoue 2002, 196; Kapp, Kapp and Yoshihara 1987, 68-69). Он был известен и в современной Европе. Процесс, описанный в трактате Оле Эвенстада о технике производства стали (Evenstadt 1968, 65), основан на том же механизме, что и два упомянутых.Несмотря на количество изданий трактата и многочисленные цитаты в специальной литературе, этот процесс ранее не исследовался досконально. Этот процесс заключается в пропускании низкоуглеродистой стали (чугуна) через печь, нагретую до нужной температуры. Железо, попадающее в печь, нагревается и, благодаря атмосфере науглероживания, преобладающей в большей части печи, начинает поглощать углерод. Когда он опускается на высоту фурмы, где температура достигает точки плавления, поверхность частично оплавляется.Затем эта частично расплавленная часть стекает на дно пода и образует частично науглероженный агломерат.

Самые последние исследования, проведенные на продуктах описанного выше процесса, выявили интересные механизмы этого явления (Wrona 2012). Структура, наблюдаемая на поперечных сечениях слитков, позволяет сделать вывод, что такая высокая степень науглероживания стала возможной благодаря частичному плавлению шихты. Металлографические исследования поверхности образцов показывают разнообразие существующих структур и показывают неравномерную степень науглероживания.Самая высокая концентрация углерода, наблюдаемая в поперечном сечении (с содержанием, значительно превышающим 1,5%), находилась во внутренних частях и располагалась слоями с чередующимися полосами преимущественно ферритной структуры (см. Рисунки 1, 5-6). Наличие таких сильно науглероженных участков внутри слитков в сочетании с очень короткой (несколько минут) продолжительностью процесса свидетельствует о локальном частичном плавлении и сильном науглероживании шихты, которая падает на дно печи, образуя многослойный сгусток. .Этот тезис, по-видимому, подтверждается доэвтектической структурой, наблюдаемой в поперечном сечении образца (см. Рисунки 1-3), и эдуктами феррита Видманштеттена (см. Рисунки 4,6), которые можно объяснить локальным плавлением и перегревом стали. Сосуществование в прилегающем пространстве заэвтектоидных структур указывает на дальнейшую интенсивную диффузию углерода в окружающие области (см. Рисунки 1,3,7). Точная характеристика изменения границ области двухфазного сосуществования жидкости и аустенита при наличии высокой динамики переходов, вызванной изменением содержания углерода и периодическими колебаниями температуры, в настоящее время невозможна и требует дальнейших исследований и проверки.В дополнение к этой сильно науглероженной зоне есть также участки с практически неизменной ферритно-перлитной структурой исходного материала (см. Рисунок 5).

Недавние эксперименты по плавке чугуна показывают, что тот же механизм, что и при науглероживании в «печи Аристотеля», может происходить в соответствующих условиях, независимо от фосфидной эвтектики, во время операции плавки. Чугун с высоким содержанием углерода был получен в ходе четырех плавильных операций, проведенных в прошлом году.

Во время одной из типичных плавок в старинной печи, которая проходила в мастерских и тренингах, проводимых Свентокшиской ассоциацией промышленного наследия в Кельце в Центре культуры и археологии в Новой Слупии, был получен необычный результат. Яркий серебристый цвет разбросанных кусков железа, которые не сливались с правильным цветком, поразительно походил на куски японской сетамахаганестали. При попытке выковать одну из этих деталей предположения о высокой науглероженности образца подтвердились.Даже при обработке при высоких температурах он показал высокую твердость и низкую деформируемость. После ковки бруска и его закалки он имел твердость, подобную напильнику. Стало ясно, что мы производили детали из высокоуглеродистой стали, похожие на уплотнительные кольца, хорошо известные на производственных площадках римского периода. Из-за формы кусков железа наши мысли обратились к процессу плавки тамахагана. Известный нам механизм фосфидной эвтектики не соответствует японским реалиям. Химический состав руды и чистота стали, производимой в японском процессе, исключают фосфор как причинный фактор высокой науглероживания (Suzuki and Nagata 1999; Inoue 2002, 196).Единственный известный механизм, способный сделать это, – науглероживание путем «переплавки». Следующие три эксперимента были сосредоточены на производстве этого процесса непосредственно в печи для обжига. Результаты двух из них представлены ниже.

Эксперимент 1

Первый эксперимент, проведенный 15 июня 2012 г., проводился в тонкостенной отдельно стоящей шахтной печи овальной формы по образцу древней печи из Лоденице, датируемой III-IV веками нашей эры (Pleiner 2000, 175). . Он был построен из глины, смешанной с соломой и гравием, на тонкой глиняной пленке (≈ 1 см), изолирующей ее от субстрата.Внутренний диаметр печи составлял 30 х 32 см в нижней части и сужался до 24 см в верхней части шахты. Толщина стенок в нижних частях была около 6-7 см. Руда, использованная в процессе, представляла собой «железистый песок» с высоким содержанием кремнезема, собранного на полях под Стараховицами. Он был дважды обжарен на деревянных сваях, общее время которого оценивается примерно в десять часов. В основании печи размещалось сливное отверстие размером 7 х 7 см. Выдувное отверстие имело внутренний диаметр 35 мм и располагалось на 20 см выше дна печи с углом наклона около 15 градусов (см. Рисунок 8).Он приводился в действие двумя попеременно продуваемыми большими ручными сильфонами, каждый объемом около 70-80 л, что позволяло поддерживать постоянную тягу почти на протяжении всего процесса (с небольшими перерывами для проведения необходимого ремонта. к валу). Сильфонные сопла были объединены в одно деревянным тройником. Наконечник фурмы не был соединен с печью и находился на расстоянии 2-3 см от стены. В качестве древесного угля использовался коммерческий бук, дробленый и отобранный до размеров 30-50 мм.

Было использовано около 20 кг обожженной руды и 45 кг древесного угля (включая предварительный нагрев) за 4,5 часа. Перед первой загрузкой руды печь прогревалась около часа. В следующие три часа плавки поочередно добавляли руду и древесный уголь в соотношении 1: 1 в количестве 2,5 кг каждый. После последней загрузки руды печь была заполнена только древесным углем и проработала следующие полчаса. Отвод шлака производился каждые 30 минут. По истечении этого времени печь разобрали, и на ней было показано необычное расположение блюма.Он был прикреплен к боковой стенке печи под углом 90 градусов относительно фурмы (см. Рисунок 10, слева). Шлак, содержащий мелкие куски железа, покрыл дно печи. При попытке уплотнить соцветие он распался на несколько частей. Общий результат процесса – 2,2 кг стали, в основном сильно науглероженной.

Рис. 8. Поперечное сечение и план печи из Exp.1.

Эксперимент 2

Этот эксперимент с самого начала шёл не так, как планировалось.После чуть более двух часов работы плавка была остановлена ​​дождем в середине процесса. Однако результаты оказались весьма интересными и заслуживающими изучения. Эксперимент проводился 12 сентября 2012 года в печи, смоделированной по японскому образцу, которая имитировала современную печь, используемую японскими мастерами меча (см. Рис. 9). Процессу плавки предшествовали два дня подготовки. Строительство печи было первым шагом. Он построен по квадратному плану из обычного кирпича, но с толстой (1-2 см) внутренней облицовкой из глины.Размер камеры составлял 26 х 26 см в нижней части со стенкой толщиной 10-11 см и сужался до 22 см в устье шахты со стенками толщиной 6-7 см. Общая высота конструкции составила 110 см, включая основание 10 см. Дно печи имело форму желоба с V-образным поперечным сечением для лучшего удаления шлака. Сливное отверстие (80×80 мм) находилось на боковой стенке печи. Воздух подавался электрическим нагнетателем через 35-миллиметровую фурму, встроенную в стену, в количестве от 120 до 200 л / мин, адаптированном к текущим потребностям.Время от времени дутье увеличивалось на несколько минут примерно до 300 л / мин. Фурма располагалась на высоте 20 см над дном печи с углом наклона около 20 градусов.

Рис. 9. Поперечное сечение и план печи из Exp.2.

Руда, использованная в процессе, состояла из двух типов лимонита. Первый был таким же «железистым песком», что и в Эксперименте 1. Второй тип – лимонит, импортированный из Боснии и Герцеговины, который использовался в качестве дополнения к соответствующей партии на металлургическом заводе в Катовице.Состав этой руды показан в Таблице 1. Руда была дважды обожжена на железном гриле на сосновой и дубовой древесине в течение восьми часов. Его также раздробили до фракции менее 1,5 см. И снова использованный древесный уголь был коммерчески сделанным из бука, измельченным и отобранным до размера 30-70 мм.

Рудные компоненты	H 2 O	Fe	Mn	CaO	MgO	Al 2 O 3	П 2 О 5	S	С	Na 2 O	К 2 О	Zn
Процентное содержание (%)	12.20	54,69	1,64	0,24	0,56	0,63	0,11	0,012	0,89	0,03	0,07	0,01

Таблица 1. Состав боснийской руды, использованной в эксперименте 2. Данные приведены только для отдельных элементов.

Выплавка началась в 12:30. Накануне печь сушили. За 1,5 часа топился только дровами.По истечении этого времени он был заполнен древесным углем большого размера и нагрет до соответствующей температуры. Тогда же начался взрыв. Первая загрузка руды в количестве 4 кг произошла в 14:40, более чем через два часа после возгорания. Следующие подзарядки по 3 кг проводились примерно каждые 25 минут. Порции руды разделялись древесным углем в количестве 3 кг, за исключением 3-й загрузки, после которой добавлялся двойной уголь. Шлак удаляли каждые 20-30 минут, и большая его часть была сильно псевдоожижена.Около 17:00, как уже упоминалось ранее, процесс пришлось прекратить из-за внезапного ухудшения погоды.

Рис. 10. Расположение цветков из опыта 1 (слева) и опыта 2 (справа).

На весь процесс ушло около 30 кг древесного угля, 19 кг руды и тачка дров. Однако этим двум последним порциям руды не удалось опуститься до уровня взрыва, поэтому в основном мне пришлось признать, что в плавке было использовано только около 13 кг руды.Сырой блюм весил 3,8 кг, но процесс не был доведен до конца и содержал много шлака. Он был расположен в желобе на дне печи в нормальном положении блюма (см. Рисунок 10, справа). После отделения примесей осталось 1,7 кг железа. Большая часть соцветия была плотной и однородной, но на верхней и передней поверхности были видимые части, которые не были полностью интегрированы с основной массой. Они были отключены при разделении шлаков.

Результаты исследования железа из опыта 1

Поскольку налет из эксперимента 1 был раздавлен, для исследования были выбраны две части (см. Рисунок 11).Образцы из них были отобраны, отполированы и сфотографированы после травления 3% ниталом. Оба образца имели достаточно пористую структуру с многочисленными включениями шлака, обломками угля и пустотами.

Образец № 1.1 имеет в основном однородную структуру перлита с многочисленными оксидными включениями и множеством участков трансформированного ледебурита (см. Рисунок 14). На очень немногих участках наблюдались локальные ферритно-перлитные структуры, обычно связанные с пятнами плавления, возможно, вызванные присутствием фосфидной эвтектики (см. Рис. 15).Пятна сплавления встречаются также в перлитных областях (см. Рисунки 16, 18 и 19). Они притягивают углерод из соседних пространств и создают характерную полосу на границах зерен. Кроме того, по всему сечению образца наблюдались многочисленные плавления со структурой ледебурита (см. Рис. 17).

Образец № 1.2 имеет более неоднородную структуру. Преобладающей фазой является перлит, но на некоторых участках на перлитном фоне можно наблюдать ферритную сетку (см. Рис. 20). Ферритные эдукты в видманштеттенской ориентации в основном расположены на краях образца (см. Рисунок 21).Более того, так же, как и в образце № 1.1, мы можем наблюдать множество пятен сплавления с содержанием фосфидной эвтектики или ледебурита (см. Рис. 22-24). Первичная сегрегация элементов также наблюдается в некоторых ферритовых эдуктах (см. Рис. 23,25).

Представленные конструкции непросто интерпретировать. Однородная перлитная структура, встречающаяся почти во всем объеме выбранных комков, может указывать на диффузное науглероживание частей восстановленного железа до эвтектоидной точки перед их объединением.При достаточно высокой температуре, вызванной сгоранием топлива или быстрым окислением поверхности железа, что является сильно экзотермической реакцией и может легко повысить температуру, линия солидуса состава 0,77% была превышена, и сплав расплавился. Эти области поглощали углерод до эвтектического уровня и создавали ледебуритовые и ферритовые кольца на границах зерен, которые были областями плавления. Однако трудно объяснить, почему углерод из эвтектических структур не диффундировал в окружающие области и не создал никаких заэвтектоидных структур после пребывания в течение нескольких часов при такой высокой температуре.Ферритно-перлитная структура на краю образца № 1.2 может быть вызвана поверхностным обезуглероживанием куска. К сожалению, ожидаемые доэвтектические структуры вокруг областей ледебурита, которые могут указывать на них как на источники науглероживания, не наблюдались, но это не исключает существования этого механизма. Необходимы дальнейшие исследования на большом количестве образцов, взятых на разных стадиях процесса плавки.

Результаты исследования железа из опыта 2

Детальное исследование опытных 2 образцов выявило структуру серого чугуна на всех участках «блюма».Что касается предположений эксперимента, то эта корюшка – провал. Однако, учитывая условия, в которых проводился процесс, его результаты дают много информации о реакциях, происходящих внутри печи во время операции плавки.

В отличие от блюма из эксперимента 1, железо, полученное в этом процессе, представляло собой плотный и однородный кусок с несколькими фрагментами, не интегрированными со всей массой. Пустоты, возникающие на поперечном сечении, скорее всего, образовались осколками сгоревшего угля или пузырьками газа, захваченными массой железа.Для анализа были взяты три образца: два из основной массы железа (см. Рисунок 11) и третий из одной из не интегрированных частей (см. Рисунок 12).

Образец № 2.1 был взят из нижней части «цветения». Он состоял из однородной структуры перлитного серого чугуна с незначительными ферритными эдуктами, в основном на границах зерен (см. Рисунок 26). В некоторых местах также можно увидеть игольчатый феррит (см. Рисунок 27). Чешуйки графита длинные, относительно тонкие и на некоторых участках слегка изогнуты.Они демонстрируют неравномерное распределение по металлу. Второй образец, взятый с вершины «блюма» и обозначенный номером 2.2, имеет аналогичную структуру, но с той разницей, что имеется очень большое количество фосфидной эвтектики, которая встречается во всем элементе (см. Рисунки 28-29). . Последний образец (номер 2.3) характеризуется перлитно-ферритной матрицей и множеством фосфидных эвтектик, как и образец номер 2.2. Кроме того, феррит игольчатой ​​формы встречается гораздо чаще, чем раньше (см. Рисунки 30-31).

Представленные выше структуры являются результатом плавления и медленного охлаждения сплава в атмосфере науглероживания с большим содержанием монооксида углерода. Интересно, что, несмотря на столь низкий расход воздуха, создать указанную выше конструкцию удалось. Возможно, небольшие размеры топочной камеры, толстые стенки и небольшой, но постоянный поток воздуха, не охлаждающего шихту, создали соответствующие условия для появления жидкой фазы. Возможно, этому способствовала и фосфидная эвтектика, имеющая низкую температуру плавления.Обычно производство серого чугуна происходит за счет медленного охлаждения, что приводит к образованию чешуек графита. Однако из-за протекания процесса, описанного выше, ясно, что он не может объяснить возникновение этого явления. Вероятно, причиной графитизации здесь может быть богатый кремнеземом и фосфором состав руд. Оба элемента известны как факторы графитизации, способствующие образованию серого чугуна (Crew, et al. 2011, стр. 251). Высокое содержание фосфора подтверждается множеством фосфидных эвтектик, возникающих практически по всему объему металла.

С	S	Mn	-П,	Si
3,65%	0,020%	0,10%	0,164%	0,13%

Таблица 2. Анализы чугуна из Эксп.2.

Обсуждение

Эксперименты позволили детально изучить весь спектр процессов, происходящих в шаровидной печи. Он включает диффузионное науглероживание, автономное плавление после пересечения точки солидуса, частичное плавление поверхности железа и плавление, связанное с фосфидной эвтектикой.Это также показывает, что любая структура из системы железо-углерод может быть легко получена в процессе вспенивания и контролироваться квалифицированным плавильным предприятием. Конечно, проведенная экспертиза не объясняет сложности механизмов науглероживания, но четко показывает широкий спектр возможностей, ни одну из которых нельзя маргинализировать. Для разрешения любых предположений и сомнений, возникающих в связи с проведенными экспериментами, необходимы дальнейшие детальные исследования. Проблема пока широко не обсуждалась в литературе.

Невозможно однозначно доказать, что основным фактором высокой науглероженности, получаемой в процессе плавки, является науглероживание путем «переплавки». Однако результаты обследования не исключают такой возможности. Пребывание в течение длительного времени при такой высокой температуре могло вызвать широкую диффузию углерода, которая не оставила бы более значительных следов. Переходы между эвтектоидной и доэвтектоидной структурой, наблюдаемые в образце № 1.2 и идентифицированные как поверхностное обезуглероживание, также могут быть пограничной точкой внутренней диффузии углерода.Однако нам необходимы дальнейшие исследования и экспертизы по этому вопросу.

Противопоказаний к наличию этого процесса в шаровидной печи я не вижу. Быстрое окисление железа определенно происходит во время операции плавки, и его можно наблюдать в виде ярких искр, очень часто исходящих из выдувных или сливных отверстий. Внезапное повышение температуры, сопровождающее это явление, должно иметь некоторое влияние на окружающие железные части, которые остались в металлическом состоянии и создали цветение.Единственный вопрос, на который мы обязаны ответить на этом этапе нашего анализа, – это степень этого влияния и достаточно ли они велики, чтобы повлиять на конечный результат процесса плавки. Соответственно, в этом году будут проведены дальнейшие эксперименты, чтобы развеять оставшиеся сомнения.

Благодарности

Эти эксперименты являлись частью исследовательского проекта № 611 076 (84 / R) «Идентификация металлургических остатков переработки критического железа» , выполненного в рамках докторской диссертации автора в Институте истории Университета Яна Кохановского в Кельце.

Металлографические и химические анализы были проведены на факультете металлообработки и промышленных компьютерных наук Научно-технического университета AGH в Кракове. Особая благодарность доктору Eng. Иренеушу Сулиге за помощь в анализе и интерпретации микроструктур, М.А. Марте Гуре за химический анализ, профессору Станиславу Димеку за доступ в лабораторию, профессору Томашу Полански за исправление языка в этой статье и доктору Шимону Оржеховски за руководство моими исследованиями .

Чертежи схем печей выполнены инж.Пшемыслав Врона.

чугун
Промежуточный продукт плавки чугуна в доменной печи, прошедший через жидкое состояние. Он имеет очень высокое содержание углерода (обычно) 3,5-4,5% и множество загрязнений. В современной металлургии он предназначен для дальнейшей переработки в жидком состоянии в сталь или чугун. Традиционно (со времен позднего средневековья) чугун перерабатывался в кованое железо в кузницах для украшений, а позже – в печах для лужения.

науглероживание
Процесс увеличения содержания углерода в низкоуглеродистой стали и превращения ее в высокоуглеродистую сталь. Термин науглероживание (также обозначается как науглероживание ) охватывает множество древних и современных процессов, в которых железо при высокой температуре (но в твердом состоянии) поглощает углерод из окружающей среды, богатой углеродом или оксидом углерода.

tamahagane steel
A Японская высококачественная сталь, выплавленная из особого вида руды – сатэцу (железный песок) в традиционной печи под названием tatara. Он содержит около 1% углерода и отличается высокой чистотой. Сталь тамахаганэ используется для изготовления японских мечей, ножей и других инструментов.

BIRINGUCCIO V., 1540. De la Pirotechnia libri X , Перевод с итальянского К. С. Смита и М. Т. Гнуди., 1966. Лондон.

CREW, P., 2004. Чугун из блюменной печи, Новости исторического металлургического общества , номер 57, стр.1-2.

ЭКИПАЖ, П., ЧАРЛТОН, М., DILLMANN, P., FLUZIN, P., SALTER, C., and TRUFFAUT, E., 2011. Чугун из шаровидной печи. В J. Hošek, H. Cleere и L. Mihok, ed. Археометаллургия железа. Последние достижения в области археологических и научных исследований , Praha, pp.239-262.

ЭВЕНСТАД, О., 1968. Трактат о железной руде, найденной в болотах Норвегии, и о процессе ее превращения в железо и сталь. Сокращенный перевод Эвенстада 1790 года Нильса Л. Йенсена, Бюллетень исторической металлургической группы , том.2, вып. 2, стр. 61-65.

FORBES, R.J., 1950. Металлургия в древности , Лейден.

ИНОУЭ , Т., 1997. Японский меч. Материалы, производство и компьютерное моделирование процесса закалки , Materials Science Research International , vol. 3, вып. 4, стр. 193-203.

KAPP, L., KAPP, H., YOSHIHARA, Y., 1987. Искусство японского меча , Kodansha International.

KĘDZIERSKI, Z., STĘPISKI, J., 2006. Metaloznawstwo żelaza z okresu rzymskiego na ziemiach polskich, In Sz. Ожеховский и И. Сулига, под ред. 50 lat badań nad staroytnym hutnictwem świętokrzyskim. Archeologia – Metalurgia – Edukacja , Kielce, стр. 177-192.

KNAU, H. L., BEIER, T. и SÖNNECKEN, M., 2001. Металлургический завод и гидроэнергетика – развитие механических молотов в «Südgebirge», Acta Metallurgica Slovaca , vol. 7. С. 127-143.

KRAWCZUK, A., PIASKOWSKI, J., 1958. Metalurgia w pismach Arystotelesa, Kwartalnik History Kultury Materialnej , vol. 6, выпуск 3, стр. 334-335.

LUCAS, A. R., 2005. Промышленное фрезерование в древнем и средневековом мире, Технология и культура , vol. 46, вып. 1, стр. 1-30.

NOSEK, E., 1966. Niektóre zabytki żelazne z terenu Gór Świętokrzyskich w świetle badań metaloznawczych, Materiały Archeologiczne , vol. 7. С. 179-184.

PIASKOWSKI, J., 1960. Metaloznawcze badania wyrobów żelaznych z okresu halsztackiego i lateńskiego pochodzących z Małopolski , Materiały Archeologiczne , vol.2. С. 201-220.

ПЛЕЙНЕР, Р., 2000. Железо в археологии. Европейские блюмерные заводы , Прага.

ПЛЕЙНЕР, Р., 2006. Железо в археологии. Ранние европейские кузнецы , Прага.

Porta a Neopolitane, John BAPTIST, 1638. Natural Magic в XX книгах , Лондон.

RADWAN, M., 1963. Rudy, kuźnice i huty żelaza w Polsce , Warszawa.

РЕДЕР, Дж. Э., 1989. Древнее науглероживание железа в сталь, Археоматериалы , т.3. С. 27-37.

SAUDER, L., 2010. Производство стали в «печи Аристотеля» , [pdf] Доступно по адресу: [доступ 3 августа 2012 г.] .

СУЗУКИ Т., НАГАТА К., 1999. Влияние заряда железного песка «Комори» на свойства стали «Тамахаганэ», производимой операцией «Татара», Тецу – Хагане , т. 85, вып. 12, стр. 911-916.

PRESBYTER, T., 1998. Diversarum Artium Schedula.Średniowieczny zbiór przepisów o sztukach rozmaitych, Перевод с латинского С. Кобелус., Краков.

Вагнер, Д., 1990. Древнее науглероживание железа в сталь: комментарий , Археоматериалы , т. 4. С. 111-117.

ВРОНА, А., 2012. Науглероживание методом «переплавки». Новый взгляд на проблему термохимической обработки железа в древности [на польском], В Я. Ганкарски, под ред. Skanseny archeologiczne i archeologia eksperymentalna, Кросно, стр.611-630.

Производство стали – как это делается?

Сталь обладает прочностью, применима во многих областях и является недорогой. Таким образом, сталь является одним из наиболее широко используемых материалов на земле. Поскольку его можно перерабатывать снова и снова, он играет решающую роль в промышленности.

Производство металла обычно осуществляется двумя разными способами: в доменной печи , также известной как кислородная печь, или в электродуговой печи .Возможны комбинации и вариации обоих производственных процессов.

Как производится сталь?

Сталь состоит из железа и углерода . Однако, чтобы повлиять на свойства металла, могут быть добавлены другие легирующие элементы. К ним относятся хром, никель или алюминий.

Как уже упоминалось, наиболее распространенными методами являются:

• Доменная печь
• Электродуговая печь

Основное различие между двумя методами заключается в типе используемого сырья.В то время как в доменном процессе в основном используются железная руда, уголь и переработанная сталь, с другой стороны, при использовании электродуговых печей в основном используются электричество и переработанная сталь.

Доменная печь

Массовое производство стали с помощью доменной печи было введено англичанином Генри Бессемером в 1855 году. До сих пор это наиболее распространенный метод, на долю которого приходится более 70% производства стали .

При этом в печи смешивают железо и кокс.Кроме того, добавляется небольшое количество флюса. С помощью шнурка в смесь добавляют кислород чистотой 99%. Это приводит к температуре до 1700 ° C. Таким образом, лом плавится в емкости, а примеси окисляются. Кроме того, содержание углерода резко снижается на 90%. В результате получается жидкая сталь. Расплавленную сталь можно слить из печи через летку.

Электродуговая печь

Поскольку при использовании электродуговой печи использованные стальные отходы перерабатываются, новая сталь практически не производится.Это также означает, что нет необходимости в сырье , таком как железная руда или кокс.

В процессе производства печь до полного заполнения заполняется стальным ломом. Далее в печь помещаются электроды, которые в процессе нагреваются. Они создают электрическую дугу через стальной лом. Это приводит к повышению температуры до 1600 ° C и плавлению лома. Для достижения желаемых свойств металла в сталь добавляют ферросплавы. Кислород, который вдувается в печь, помогает очистить металл.Добавлен плавиковый шпат и известковый плавик с примесями. Они образуют шлак, который плавает поверх расплавленной стали.

Обычно электродуговые печи используются для производства легированных сталей, таких как нержавеющая сталь. Примерно 29% сталей производится этим методом.

Другие методы

Мартеновская печь – еще один вариант производства стали. Процесс очень энергоемкий и затратный. Кроме того, он более опасен для окружающей среды, чем два других метода.