Электрометаллургия и металлургия стали


                В. Е. РОЩИН
                A. B. РОЩИН








ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ И МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ

Учебник







Допущено федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебника при подготовке бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия», а также при подготовке аспирантов, обучающихся по направлению 22.06.01 «Технологии материалов»





Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

   УДК [669.187+669.14](075.8)
   ББК 34.327
          Р58





Рецензенты:
доктор технических наук, профессор О. Ю. Шешуков; кафедра металлургии и химических технологий ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г. И. Носова»









         Рощин, В. Е.
   Р58 Электрометаллургия и металлургия стали : учебник / В. Е. Рощин, А. В. Рощин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. -576 с.
            ISBN 978-5-9729-0630-7

          Систематически изложены основы теории и практики производства стали в кислородных конвертерах, дуговых сталеплавильных печах и агрегатах специальной электрометаллургии. Описаны принципиальные конструктивные решения плавильных агрегатов.
          Для студентов высших учебных заведений металлургических направлений подготовки, а также исследователей процессов в области сталеплавильного производства и практических работников металлургической и машиностроительной промышленности.

                                     УДК [669.187+669.14](075.8)
                                     ББК 34.327




   ISBN 978-5-9729-0630-7 © В. Е. Рощин, А. В. Рощин, 2021
                           © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие ко второму изданию................................................. 9
ЧАСТЬ I ПЕЧИ И АГРЕГАТЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Раздел I. Сталеплавильные агрегаты
Глава 1.   Структура сталеплавильного производства
           1.1. Появление и развитие сталеплавильного производства............ 11
           1.2. Сырьё и продукция сталеплавильного производства............... 17
           1.3. Структура сталеплавильного производства интегрированных заводов............................................................ 20
           1.4. Структура сталеплавильного производства минизаводов .......... 23
           1.5. Совмещённые технологии сталеплавильного производства ......... 25
           1.6. Производство стали и сплавов методами специальной электрометаллургии ................................................ 28
Глава 2.   Электрическая дуга как источник тепловой энергии в сталеплавильных
           агрегатах
           2.1. Общие сведения о дуговом разряде ............................. 32
           2.2. Особенности дуги постоянного и переменного тока............... 36
           2.3. Стабилизация, регулирование мощности и излучающей способности дуги .............................................................. 39
           2.4. Горение дуги в вакууме ........................................45
           2.5. Особенности плазменной дуги .................................. 47
Глава 3.   Кислородный конвертер
           3.1. Способы продувки металла кислородом .......................... 50
           3.2. Общее устройство кислородного конвертера с верхней продувкой . 52
           3.3. Геометрия рабочего пространства .............................. 54
           3.4. Футеровка..................................................... 56
           3.5. Опорное кольцо и опорные узлы ................................ 60
           3.6. Кислородная фурма............................................. 62
           3.7. Газоотводящий тракт .......................................... 64
           3.8. Особенности конструкции кислородных конвертеров с донной и комбинированной продувкой ....................................... 66
Глава 4. Дуговые печи
           4.1. Развитие технологии и конструкции дуговых печей............... 69
           4.2. Классификация дуговых печей................................... 72
           4.3. Геометрия рабочего пространства .............................. 75
           4.4. Теплообмен в рабочем пространстве............................. 78
           4.5. Элементы конструкции ......................................... 81
           4.6. Системы улавливания и отвода печных газов .................... 95
           4.7. Дуговые сталеплавильные печи постоянного тока................. 98
           4.8. Двухванные агрегаты ......................................... 101
Раздел II. Печи, плавильные установки и оборудование специального
           назначения
Глава 5. Индукционные печи
           5.1. Общие сведения об индукционных печах......................... 104
           5.2. Основы электрической работы индукционной тигельной печи.... 106
           5.3. Электрооборудование индукционных тигельных печей............. 110
           5.4. Конструкция индукционных тигельных печей..................... 114
Глава 6.   Техника получения и измерения вакуума
           6.1. Использование вакуума в металлургии ......................... 118
           6.2. Вакуумные насосы ............................................ 118


3

            6.3. Приборы для измерения вакуума ........................... 124
            6.4. Вспомогательные элементы вакуумных систем ............... 125
Глава 7. Вакуумные индукционные печи
            7.1. Классификация вакуумных индукционных печей .............. 129
            7.2. Устройство и работа вакуумных индукционных печей полунепрерывного действия..................................... 130
Глава 8. Вакуумные дуговые печи 1. Типы вакуумных дуговых печей........................................... 134
            2.  Конструкция вакуумных дуговых печей ...................... 136
Глава 9.   Электронные плавильные установки
            9.1. Принцип электронно-лучевого нагрева ..................... 142
            9.2. Типы электронно-лучевых установок........................ 144
            9.3. Конструкция электронно-лучевых установок ..................147
Глава 10.  Плазменно-дуговые печи
            10.1. Получение и применение плазменной дуги в сталеплавильных печах 152
            10.2. Плазменно-дуговые печи с керамическим тиглем............ 153
            10.3. Установки плазменно-дугового переплава в водоохлаждаемый кристаллизатор................................................ 154
Глава 11.  Установки электрошлакового переплава
            11.1. Принцип электрошлакового переплава и возможные схемы его осуществления ................................................ 156
            11.2. Конструкция установок ЭШП для получения слитков ........ 157
            11.3. Установки ЭШП специального назначения .................. 160
            11.4. Флюсоплавильные печи ................................... 163

ЧАСТЬ II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Раздел III. Физические процессы при агрегации и агрегатных превращениях металлов
Глава 12. Общие сведения о металлах
          12.1. Металлы - частный случай конденсированного состояния

            вещества....................................................... 165
            12.2. Типы металлов............................................ 169
            12.2.1. Металлы - химические элементы ......................... 169
            12.2.2. Металлические сплавы химических элементов.............. 172
            12.2.3. Металлы - химические соединения........................ 173
            12.3. Металлическая связь - результат наличия вырожденного электронного газа.............................................. 173
Глава 13.  Кристаллическое состояние металлов
            13.1. Агрегатные состояния вещества............................ 177
            13.2. Кристаллические структуры металлов ...................... 182
            13.3. Реальные кристаллы ...................................... 185
Глава 14.  Изменения в кристаллической решётке при нагревании и плавлении
            металлов
            14.1. Нагрев до температуры плавления.......................... 187
            14.2. Температура плавления.................................... 190
            14.3. Изменение свойств металлов при плавлении ................ 192
            14.4. Модельные представления о плавлении металлов ............ 197
            14.5. Состояние теории плавления реальных металлов .............201
Глава 15.  Структура металлических расплавов
            15.1. Экспериментальные исследования структуры металлических расплавов ..................................................... 203
            15.2. Модельные представления о структуре металлических расплавов 15.2.1. Квазигазовые модели.....................................207

4

            15.2.2. Квазикристаллические модели ............................. 212
Глава 16.  Изменение структуры металлических расплавов при перегреве
            и охлаждении
            16.1. Экспериментальные результаты измерения структурно-чувствительных
            свойств расплавов................................................ 219
            16.2. Неравновесное состояние многокомпонентных расплавов ....... 226
Глава 17.  Кристаллизация металлических расплавов
            17.1. Зарождение и рост одиночных кристаллов .................... 229
            17.1.1. Термодинамика гомогенного зарождения центров кристаллизации................................................... 229
            17.1.2. Рост сверхкритических зародышей.......................... 233
            17.1.3. Формирование габитуса кристаллов ........................ 235
            17.1.4. Гетерогенное зарождение кристаллических зародышей........ 236
            17.2. Кристаллизация расплавов при контакте с холодной стенкой ...239
Глава 18.  Отвердевание металлов без кристаллизации
            18.1. Кинетика кристаллизации и отвердевания..................... 245
            18.2. Составы сплавов, способных отвердевать без кристаллизации . 248
Раздел IV. Физико-химические взаимодействия в расплавах
Глава 19. Свойства жидких сплавов железа
            19.1. Форма существования элементов в расплавах железа .......... 253
            19.2. Физические свойства расплавов железа ...................... 255
            19.3. Химическая активность примесей в жидком железе............258
Глава 20.  Шлаки сталеплавильных процессов
            20.1. Состав шлаков и основные диаграммы состояния шлаковых систем . 263
            20.2. Строение расплавленных шлаков ............................. 268
            20.3. Определение активностей компонентов шлака ................. 272
            20.4. Химические свойства шлаков................................. 275
            20.5. Физические свойства шлаков ................................ 277
Глава 21.  Окислительные процессы в сталеплавильной ванне
            21.1. Окислительные условия выплавки стали ...................... 280
            21.2. Окисление углерода ........................................ 282
            21.3. Удаление фосфора........................................... 288
            21.4. Окисление и восстановление кремния......................... 291
            21.5. Окисление и восстановление марганца ....................... 292
            21.6. Окисление и восстановление хрома........................... 293
            21.7. Окисление вольфрама ....................................... 294
Глава 22.  Десульфурация металла
            22.1. Влияние серы на свойства стали ............................ 295
            22.2. Распределение серы между металлом и шлаком ................ 297
            22.3. Взаимодействие серы с примесям в металле .................. 301
Глава 23. Раскисление стали
            23.1. Цель и методы раскисления.................................. 303
            23.2. Взаимодействие раскислителей с кислородом ................. 303
            23.3. Образование продуктов раскисления ......................... 312
            23.4. Удаление продуктов раскисления............................. 319
            23.5. Диффузионное раскисление шлаком ........................... 322
            23.6. Оксидные неметаллические включения в стали ................ 323
Глава 24. Газы в стали
            24.1. Водород в стали ........................................... 326
            24.2. Азот в стали............................................... 329
Глава 25.  Рафинирование стали в вакууме .................................... 332

5

           25.1. Раскисление в вакууме ...................................333
           25.2. Удаление неметаллических включений.......................334
           25.3. Процессы дегазации и удаления цветных металлов ..........336
           25.4. Взаимодействие металлического расплава с футеровкой .....340
Часть III. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Раздел V. Технология плавки в плавильных агрегатах
Глава 26.  Шихтовые материалы ............................................342
            26.1. Металлоносители........................................ 342
            26.1.1. Амортизационный пакетированный лом................... 343
            26.1.2. Чугун................................................ 343
            26.1.3. Стальной лом ........................................ 344
            26.1.4. Губчатое железо и синтетические шихтовые материалы.... 347
            26.2. Добавочные материалы
            26.2.1. Раскисляющие и легирующие материалы ................. 349
            26.2.2. Шлакообразующие материалы............................ 350
            26.2.3. Окислители........................................... 351
            26.2.4. Науглероживатели..................................... 352
Глава 27. Общие положения технологии
            27.1. Технологический цикл плавки стали в кислородных конвертерах .... 352
            27.2. Технологический цикл плавки стали в дуговых сталеплавильных печах ........................................................ 354
            27.2.1. Плавка на свежей шихте ...............................355
            27.2.2. Переплав легированных отходов ........................ 357
Глава 28.  Технология окислительных процессов
            28.1. Аэродинамика кислородной струи.......................... 359
            28.2. Взаимодействие кислородной струи с металлом............. 362
            28.3. Особенности технологии окислительных процессов в конвертерах и дуговых печах .............................................. 365
            28.4. Дутьевой режим..........................................367
            28.5. Использование потенциального химического тепла СО ......367
            28.6. Продувка порошками в дуговых печах...................... 369
Глава 29.  Процессы и химические реакции в первичной реакционной зоне
            29.1. Механизм окислительных процессов ....................... 371
            29.2. Окисление углерода .................................... 374
            29.3. Окисление кремния ......................................375
            29.4. Окисление марганца......................................375
Глава 30.  Шлакообразование и рафинирование металла шлаком
            30.1. Растворение шлакообразующих и формирование шлака....... 376
            30.2. Шлакообразование в кислородном конвертере .............. 378
            30.3 Шлакообразование в ДСП ..................................379
            30.4. Рафинирование металла шлаком............................ 381
            30.4.1. Дефосфорация стали ...................................383
            30.4.2. Десульфурация стали ..................................385
Глава 31.  Интенсификация тепло- и массопереноса в сталеплавильной ванне
            31.1. Продувка газом снизу. Общие вопросы ....................387
            31.2. Продувка металлической ванны снизу в конвертере ........ 388
            31.3. Продувка металлической ванны снизу в дуговой печи....... 391
Глава 32.  Интенсификация плавления лома в дуговых печах
            32.1. Оптимизация энерготехнологического режима............... 393
            32.2. Применение жидкого чугуна............................... 395
            32.3. Использование топливно-кислородных горелок ............. 397
            32.4. Предварительный подогрев лома...........................400

6

            32.4.1. Подогрев металлолома вне плавильного агрегата.......... 400
            32.4.2. Подогрев металлолома в системах подачи шихты .......... 402
            32.4.3. Интегрированные с ДСП установки подогрева шихты ....... 405
            32.4.4. Экологические проблемы подогрева лома.................. 407
            32.4.5. Перспективный комбинированный процесс подогрева лома в шахтном подогревателе ....................................... 410
            32.4.6. Процесс выплавки стали из лома с использованием преимущественно первичной энергии топлива .................................. 412
Глава 33. Плавка стали с применением металлизованного сырья
            33.1. Особенности применения металлизованного сырья ........... 413
            33.2. Технология плавки металлизованного сырья в дуговой печи . 415
Раздел VI. Внепечная обработка и разливка стали
Глава 34.  Подготовка расплава к разливке
            34.1. Внепечная обработка стали ............................... 417
            34.2. Агрегаты и оборудование для внепечной обработки стали... 418
            34.2.1. Сталеразливочный ковш.................................. 420
            34.2.2. Агрегаты доводки стали ................................ 422
            34.2.3. Агрегат «ковш-печь».................................... 427
            34.2.4. Циркуляционный вакууматор RH........................... 429
            34.2.5. Камерный вакууматор.................................... 431
            34.2.6. Обработка расплава в промежуточном ковше МНЛЗ ......... 432
            34.2.7. Микролегирование и модифицирование в кристаллизаторе МНЛЗ и в изложнице ................................................. 433
            34.3. Комплексное использование агрегатов внепечной обработки стали . 434
Глава 35. Разливка стали в изложницы
            35.1. Влияние окисленности стали на способ отливки слитков .... 436
            35.2. Изложницы................................................ 437
            35.3. Способы разливки стали в изложницы....................... 439
            35.4. Строение и структура слитка спокойной стали ............. 440
            35.5. Усадка и усадочные дефекты слитка спокойной стали ....... 441
            35.6  Структурные зоны слитка спокойной стали ................. 449
            35.7. Способы воздействия на формирование структуры слитка спокойной стали ............................................... 452
            35.8. Ликвационные процессы и зоны сегрегации слитка спокойной стали ......................................................... 454
            35.9. Строение слитка кипящей стали ........................... 459
Глава 36.  Агрегаты для непрерывной разливки стали
            36.1. Типы машин непрерывного литья заготовок.................. 461
            36.2. Устройство и работа машин непрерывного литья заготовок .. 466
Глава 37.  Технология непрерывной разливки и качество заготовки
            37.1. Технология разливки...................................... 476
            37.2. Дефекты непрерывнолитых заготовок ....................... 478
            37.2.1. Дефекты профиля ....................................... 478
            37.2.2. Дефекты поверхности ................................... 481
            37.2.3. Дефекты внутренней структуры .......................... 486
            37.3. Методы внешних воздействий на металл в процессе кристаллизации................................................. 493
Глава 38.  Совмещение литья и прокатки
            38.1. Способы повышения эффективности литья заготовок.......... 503
            38.2. Литейно-прокатные агрегаты .............................. 504
            38.3. Листовые литейно-прокатные агрегаты...................... 506
            38.4. Зона совмещения линии разливки и прокатки................ 510

7

            38.5. Развитие агрегатов для производства стальной полосы .... 512
Глава 39.   Бесслитковое производство тонкой полосы
            39.1. Литьё полосы на двухвалковых машинах ................... 516
            39.2. Получение аморфной и нанокристаллической ленты на одновалковых машинах ......................................... 520
Раздел VII. Технологии производства стали специального назначения
Глава 40.   Сталь с ультранизким содержанием углерода
            40.1. Новый класс стали с ультранизким содержанием углерода..... 523
            40.2. Технология производства ................................ 524
Глава 41.   Нержавеющая сталь
            41.1. Характеристика стали и физико-химические условия её производства.................................................. 526
            41.2. Аргоно-кислородное рафинирование ....................... 528
            41.3. Производство нержавеющей стали в конвертерах ............531
            41.4. Окислительное циркуляционное вакуумирование ............ 532
            41.5. Нержавеющая сталь с ультранизким содержанием углерода..... 534
Глава 42.   Сталь для холоднокатаного листа
            42.1. Выбор способа производства ............................. 536
            42.2. Технология производства ................................ 537
Глава 43.   Высокоуглеродистая сталь ..................................... 539
            43.1. Рельсовая сталь......................................... 540
            43.2. Подшипниковая сталь .................................... 542
            43.3. Быстрорежущая сталь .................................... 544
Глава 44.   Электротехническая сталь
            44.1. Характеристика стали и требования к её производству..... 546
            44.2. Технология производства ................................ 547
Глава 45.   Рафинирование металла методами спецэлектрометаллургии
            45.1. Задачи спецэлектрометаллургии и способы их решения...... 548
            45.2. Технологические возможности получения металла высокого качества в первичных агрегатах................................ 549
            45.3. Общие закономерности рафинирования металла в агрегатах вторичного переплава ......................................... 550
            45.4. Условия рафинирования металла вакуумом, газом или шлаком при
            переплавных процессах .........................................554
Глава 46. Особенности выплавки стали и сплавов в первичных агрегатах спецэлектрометаллургии
            46.1. Технология плавки в открытых индукционных печах ........ 556
            46.2. Технология плавки в вакуумных индукционных печах........ 558
            46.3. Технология плавки в плазменно-дуговых печах с керамическим тиглем ........................................................561
Глава 47.   Основы технологии рафинирующих переплавов
            47.1. Производство и подготовка расходуемых электродов и заготовок ... 562
            47.2. Флюсы для ЭШП и их подготовка........................... 564
            47.3. Технология вакуумно-дугового переплава.................. 565
            47.4. Технология плазменно-дугового переплава................. 567
            47.5. Технология электрошлакового переплава................... 567
            47.6. Сравнение эффективности рафинирующих переплавов ........ 569
            47.7. Библиографический список..................................571

8

Предисловие ко второму изданию


    Настоящее издание учебника в значительной части является 5-м переизданием книги «Электрометаллургия стали и ферросплавов» (М: Металлургия, 1974, 1984, 1995). За период со времени последнего издания учебника «Электрометаллургия стали и ферросплавов» в отечественной металлургии произошли кардинальные изменения. Если в середине 90-х годов металлургия России по структуре сталеплавильного производства отставала от мирового уровня минимум на 30 лет, то в последние годы XX века и в начале XXI века благодаря оснащению металлургических заводов современным преимущественно импортным оборудованием электросталеплавильное производство практически вышло на мировой уровень.
    Прогресс в электросталеплавильном производстве привёл, как это раньше произошло в странах с развитой экономикой, к изменению структуры всего сталеплавильного производства. В России практически прекратило существование мартеновское производство, стала повсеместно использоваться внепеч-ная обработка и доводка стали вне плавильного агрегата, благодаря этому произошло сближение технологий выплавки стали в кислородных конвертерах и современных мощных дуговых печах, выплавляющих практически одинаковый окисленный полупродукт для последующей доводки до требуемых кондиций в одинаковых агрегатах внепечной обработки. В конвертерном производстве в составе шихты увеличилась доля лома, а в электропечах начали широко использовать жидкий чугун. И в тех и в других агрегатах расплав интенсивно продувают кислородом, часто используется дополнительно донная продувка различными газами. В массовом производстве практически вся сталь разливается на машинах непрерывного литья.
    Изменения в сталеплавильном производстве, а также существенные изменения в системе подготовки специалистов для металлургии потребовали пересмотра структуры и содержания учебника. Учитывая, что технологии сталеплавильных процессов независимо от типа плавильного агрегата базируются на одних и тех же положениях теории, в значительной мере реализуются в одних и тех же агрегатах внепечной обработки и завершаются разливкой стали на машинах непрерывного литья, авторы сочли целесообразным объединить два существовавших ранее курса «Электрометаллургия стали» и «Металлургия стали» в один. Совместное преподавание этих курсов на протяжении более десяти лет подтвердило целесообразность такого изложения.
    С учётом накопленного опыта при подготовке предыдущего издания учебника «Электрометаллургия и металлургия стали» (2013 г.) в круг рассматриваемых в предыдущих изданиях вопросов дополнительно были включены вопросы устройства и работы кислородных конвертеров, которые ранее были предметом изучения в курсе «Металлургия стали». При этом из курса «Металлургии стали» исключены вопросы устройства и работы практически отживших мартеновских печей, а из ранее преподававшегося курса электрометаллургии стали и ферросплавов - вопросы теории и технологии производства ферросплавов и, соответственно, устройства и работы ферросплавных печей, которые

9

в настоящее время изучаются по отдельной магистерской программе «Производство ферросплавов».
    При подготовке издания 2013 года соответственно изменениям в производстве был существенно переработан материал, относящийся к конструкции и работе дуговых сталеплавильных печей, значительно расширен и обновлён материал раздела «Разливка стали», при описании основ теории производства стали дополнительно включён раздел «Физические процессы при агрегации и агрегатных превращениях металлов». Включение этого раздела обусловлено повышением роли в технологии физических процессов, протекающих в кристаллической решётке металлов при нагреве, плавлении, перегреве расплавов, их кристаллизации и отвердевании с заторможенной кристаллизацией или без кристаллизации с получением аморфного и нанокристаллического состояния.
    Аморфный и нанокристаллический металл получают из расплавов, выплавленных и соответствующим образом подготовленных в сталеплавильных печах и разлитых методом непрерывного литья с максимально высокой скоростью охлаждения. Это методы специальной электрометаллургии, основанные не столько на управлении химическими взаимодействиями в металле, сколько на физических превращениях металла. Изучению этих процессов при подготовке специалистов сталеплавильного производства до сих пор не уделялось должного внимания. Между тем, и при производстве металла массового назначения увеличение скорости охлаждения расплавов позволяет получать качественно новые результаты, что, например, реализовано при разливке стали на двухвалковых машинах непрерывного литья с получением тонкой полосы.
    При подготовке данного издания учебника учтены достижения последних лет в синтезе новых химических элементов, в исследованиях свойств металлов, понимании сути самих металлов. Соответственно целевому назначению учебника в нём лишь кратко изложен материал по многим важным вопросам, необходимым для понимания сути сталеплавильных процессов, но которые хорошо освещены в учебниках, учебных пособиях и монографиях других известных специалистов [1-26]. При необходимости углубления знаний по этим вопросам авторы рекомендуют читателям обращаться к специальной литературе, краткий библиографический список которой приведён в конце книги.

10

ЧАСТЬ I. ПЕЧИ И АГРЕГАТЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Раздел I. СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ


Глава 1. Структура сталеплавильного производства


1.1. Появление и развитие сталеплавильного производства


    Основателем современного сталеплавильного производства следует считать Генри Бессемера, который в 1855 г впервые получил расплавленную сталь в 5-кг тигле из огнеупорной глины в результате продувки воздухом жидкого чугуна. Идея продувать чугун воздухом пришла к Бессемеру благодаря его наблюдательности за процессом производства сварочного железа в пудлинговой печи. Он обратил внимание на то, что образование крицы кристаллов обезуглероженного железа в углеродистом расплаве пудлинговой печи происходит быстрее в той части ванны, которая находится со стороны поступления газов из топки, и связал это с более высоким содержанием кислорода в них в начале пути над обезуглераживаемым расплавом. Справедливость такого предположения подтвердилась при увеличении подачи воздуха в топку печи. В дальнейшем ему пришла мысль вдувать воздух не только в топку печи, но и непосредственно в расплав чугуна.
    Свои первые опыты Бессемер проводил в закрытом тигле, продувая чугун воздухом через введённую сверху трубку (рис. 1). Тигель был установлен в печи - Бессемер не знал, что в этом случае дополнительный обогрев не требуется. Оказалось, что при продувке воздухом чугун не только не охлаждается, как считали до этого, но и разогревается до темпера
туры, при которой обезуглероженный расплав, не-  ?ис. ¹ Опыты Бессеме⁻
смотря на повышение температуры плавления, оста- Ра по пРодувке чугуна
ётся жидким. Вместо ручного извлечения крицы из углеродистого расплава стало возможным обезуглероженный расплав просто выливать из тигля.
    В 1856 году Бессемер предложил продувать чугун воздухом через донные сопла в специальном агрегате - конвертере (рис. 2). Простой и дешёвый способ получения литой стали в простом по конструкции безтопливном агрегате начал быстро распространяться, особенно там, где имелись малофосфористые железные руды. При использовании высокофосфористого чугуна сталь получалась хрупкой. В результате возникла проблема удаления из металла фосфора.
    Для футеровки бессемеровского конвертера использовался единственный известный в то время огнеупорный материал - динасовый кирпич. Кислотный характер футеровки и, следовательно, образующихся в процессе обезуглероживания чугуна шлаков исключал возможность удаления фосфора из металла в

11

шлак. Невозможность удаления фосфора была серьёзным недостатком нового

высокопроизводительного метода превращения чугуна в сталь.

Бессемеровский процесс                  Томасовский процесс

Рис. 2. Бессемеровский и томасовский процессы

                                             Целенаправленный поиск возможности удаления фосфора из фосфористого чугуна, который проводил студент Горного училища англичанин Сидней Джилкрист Томас, привёл его в 1877 году к заключению о необходимости формирования в конвертере шлаков на основе оксида кальция. Однако присадка извести в бессемеровский конвертер вызывала быстрое разрушение кислотной футеров

ки. В 1878-79 г.г. Томас запатентовал способ получения стали из фосфористого чугуна в конвертере с доломитовой футеровкой, обладающей основными свой

ствами и позволяющей получать в конвертере известковые шлаки. Позже этот

вариант конвертерного процесса получил название томасовского.
    Использование доломита в составе футеровки устранило препятствия по переработке в сталь чугуна независимо от содержания в нём фосфора и существенным образом способствовало быстрому распространению сталеплавильного производства. Сталь превратилась в относительно дешёвый и доступный конструкционный материал, что в значительной мере способствовало научнотехнической революции конца XIX века.
    Массовое производство стали сопровождалось быстрым накоплением стальных отходов в виде отходов самого сталеплавильного производства, а также отходов металлопереработки и лома стального оборудования. Возникла и быстро разрасталась проблема переработки стальных отходов. Оба варианта конвертерного процесса вследствие использования воздуха, на четыре пятых состоящего из балластных газов, нагрев которых требует большого количества уносимого из конвертера тепла, характеризуются напряжённым тепловым балансом. Они не в состоянии перерабатывать даже собственный оборотный лом.
    Найти удачный способ переработки стального лома в новую сталь удалось в 1864 г. французу Пьеру Мартену. Используя разработанный в 1856 году в Англии братьями немецкого происхождения Вильгельмом и Фридрихом Сименсами способ регенерации тепла отходящих газов для подогрева воздушного дутья, ему удалось получить в пламенной печи температуру, достаточную для расплавления стального лома. Эту сталеплавильную печь стали называть мартеновской, а в ряде стран, прежде всего в Германии - сименс-мартеновской.
    Таким образом, к концу XIX века сложилась структура сталеплавильного производства, включающая две технологических линии, одна из которых основывалась на переработке чугуна в сталь в конвертерах, а вторая - на переработке в сталь отходов и лома мартеновским способом (рис. 3).

12

    На первом этапе своего развития мартеновская печь выполняла функции дополнительного сталеплавильного агрегата, перерабатывая образующиеся в конвертерном производстве отходы и лом отслуживших машин и оборудования. При этом мартеновская печь по сравнению с конвертером оказалась более универсальным агрегатом, способным не только переплавлять металлический лом, но и работать с использованием значительного количества жидкого и твёрдого чугуна. Кроме того, мартеновская сталь по сравнению с конвертерной оказалась менее склонной к старению. Старение металла в процессе эксплуатации стальных изделий происходит вследствие распада твёрдого раствора азота в железе и выделения нитрида железа по границам кристаллов. В результате старения существенно ухудшаются механические свойства металла.


Рис. 3. Структура сталеплавильного производства конца XIX века

    Причиной повышенной склонности к старению конвертерной стали, выплавленной и бессемеровским и томасовским процессами, является насыщение стального расплава азотом в результате его продувки воздухом. В мартеновской печи азот не только не вдувается в расплав, но расплавленная сталь защищена от взаимодействия с атмосферой слоем шлака. К тому же мартеновские печи могли работать и с основной и с кислой футеровкой, поскольку содержание фосфора в ломе, как правило, уже соответствовало или было даже меньше требуемого уровня. Кислые шлаки менее проницаемы для водорода, поэтому кислая мартеновская сталь была свободна и от дефектов, обусловленных повышенным содержанием водорода. И, наконец, кислая сталь, выплавленная по технологии, предусматривавшей восстановление кремния из футеровки, была хорошо раскисленной и содержала только наименее вредные для стали неметаллические включения в виде мелких сферических силикатов.

13

    Эти особенности мартеновского процесса обусловили его широкое распространение, и на рубеже XIX и XX веков мартеновский процесс стал ведущим в производстве стали. В середине XX века в мартеновских печах производилось примерно 80 % всей выплавляемой стали. Ведущие позиции мартеновского процесса в сталеплавильном производстве сохранялись вплоть до восьмидесятых годов прошлого века.
    Практически одновременно с возникновением конвертерных и мартеновского процессов появились первые электросталеплавильные печи. Способ выплавки стали в электрических печах был запатентован ещё в 1853 г. Пишоном (Франция). Он разработал конструкцию дуговой печи косвенного действия, в которой электрическая дуга горела над металлической ванной между двумя горизонтально расположенными электродами (рис. 4, а;). Практическое использование печей Пишона ограничивалось тяжёлыми условиями работы горизонтально расположенных электродов, работающих на изгиб, и температурными условиями службы огнеупорной футеровки, отражающей тепловой поток дуги на поверхность металла и поэтому нагреваемой до температуры выше температуры металла. Печи косвенного нагрева мало пригодны для плавления тугоплавких чёрных металлов, но вполне приемлемы в производстве легкоплавких цветных металлов (рис. 5, б). Позднее (1879 г.) Сименс создал дуговую печь прямого действия, в которой одним из полюсов дуги являлась металлическая ванна, а электрод работал не на изгиб, а на растяжение (рис. 4, б). Но и печь Сименса не нашла применения в промышленности вследствие трудностей в подводе электрического потенциала к расплавленному металлу.
    Более отвечающей условиям плавления чёрных металлов оказалась изобретённая в 1899 г. Геру (Франция) печь прямого действия с двумя вертикально расположенными электродами, ток между которыми замыкался через металлическую ванну, а дуги горели между каждым электродом и металлом (рис. 4, в). Использование таких печей осложнялось лишь применением постоянного тока.

Рис. 4. Схемы дуговых печей: а - Пишона, б - Сименса, в - Геру, г - трёхфазной

а

б           в           г

    Толчком к промышленному освоению выплавки стали в дуговых печах послужило применение переменного тока. Первые трёхфазные дуговые печи (рис. 4, г) были установлены в 1907 г. в США и в 1910 г. в России. Вскоре выплавка стали в таких печах была освоена в Германии, Франции и других странах. Широкие возможности в выборе шихты, быстрая загрузка лома во весь объём плавильного пространства, неограниченный сортамент и высокое качество вы

14

Рис. 5. Дуговые печи прямого нагрева для плавления чёрных (а) и печи косвенного нагрева для плавления цветных (б) металлов

а

7///////////////Z7.       747777/77/
                б

плавляемой стали, высокая скорость нагрева во всём температурном интервале, лёгкость регулирования тепловых процессов, возможность нагрева до высокой температуры, независимость тепловыделения от состава и давления атмосферы, возможность проводить окислительные или восстановительные процессы, высокое усвоение легирующих добавок определили распространение трёхфазных печей (рис. 5, а).
    Однако дефицит и высокая стоимость электрической энергии, необходимость разработки и освоения производства специального оборудования для дуговых трёхфазных печей -печных трансформаторов, электродов, новых высокоогнеупорных и термостойких огнеупоров обусловили

более высокую стоимость металла, выплавляемого в электропечах, по сравнению с конвертерным и мартеновским производствами. Дуговые электропечи на протяжении почти половины столетия не могли конкурировать с мартеновскими печами и конвертерами при производстве стали массового назначения. Их использование было оправдано при производстве лишь металла специального назначения - инструментальной, высоколегированной конструкционной, шарикоподшипниковой, нержавеющей, жаропрочной, электротехнической стали, а также стали, легированной высокоактивными элементами, выплавка которой затруднена или невозможна мартеновским и конвертерным способами.
    Поэтому в первой половине XX века в сталеплавильном производстве использовались одновременно все три типа сталеплавильных агрегата. Ведущим на протяжении всего периода был наиболее универсальный мартеновский процесс, конвертерный передел чугуна использовался для получения стали рядового назначения, а дуговая электропечь применялась в производстве стали специального назначения.
    Вторая половина XX века и начало нового тысячелетия для сталеплавильного производства мировой чёрной металлургии ознаменовались нарастающим темпом совершенствования технологического процесса производства, выразившемся в многократном увеличении производительности и достижении высочайшего уровня качества продукции массового потребления (рис. 6).
    Начало этому процессу было положено прогрессом в разделении воздуха на составляющие компоненты, что позволило получать в большом объёме с умеренными издержками чистый кислород, который стало экономически оправданным использовать и для интенсификации сталеплавильных процессов. Продувка металла кислородом в мартеновских печах - главных на тот период сталеплавильных агрегатах, позволила резко интенсифицировать теплофизические и химические процессы в сталеплавильной ванне, существенно сократить расход топлива и продолжительность плавки. Логическим завершением поло

15

жительных результатов продувки расплава чистым кислорода явилось появление в начале 50-х годов кислородного конвертера.
    При недостижимой ранее производительности процесса превращения чугуна в сталь и огромной экономии топливных ресурсов этот сталеплавильный агрегат принципиально не мог обеспечить условий для рафинирования металла от серы и легирования многими необходимыми компонентами. Возникла необ
Рис. 6. Линия тренда производства стали

в XX и в начале XXI века

  ходимость завершения процесса получения стали требуемого состава и качества вне сталеплавильного агрегата. Итогом поиска рациональных способов превращения окисленного полупродукта кислородно-конвертерной плавки в сталь явилось создание ряда агрегатов вне-печной обработки, специализированных для выполнения тех или иных операций.
      Проведение операций рафинирования от нежелательных примесей и легирования требуемыми компонентами в специализированных агрегатах по
зволило обеспечить в каждом из них максимально благоприятные условия для

протекания этих процессов, добиться высокой скорости их завершения и дос

тижения невозможного ранее уровня качества металла массового назначения.
    Прогресс в производстве кислородно-конвертерной стали вызвал необходимость пересмотра взглядов и на другие сталеплавильные агрегаты. Роль дуговой печи как агрегата для производства качественной легированной и высоколегированной стали существенно уменьшилась. При наличии комплекса агрегатов внепечной обработки исчезла необходимость проводить глубокое рафинирование и полное легирование и в электросталеплавильных печах. Как и при кислородно-конвертерной плавке, в электрических печах стало целесообразным производить окисленный полупродукт и превращать его в металл необходимого состава и качества вне печи. Это открыло возможность для максимальной интенсификации плавления лома в электрических печах путём применения сверхмощных трансформаторов, использования большого количества кислорода для нагрева металла за счёт окисления примесей и сжигания топлива.
    В этих условиях мартеновская печь, потреблявшая жидкий чугун при скрап-рудном варианте плавки или работавшая на ломе при скрап-процессе,

стала уступать по всем показателям специализированным агрегатам: специализированному на переделе чугуна в сталь кислородному конвертеру и более приспособленной для переплава лома дуговой электропечи. Это привело к вытеснению мартеновского производства более производительными кислородноконвертерным процессом и электроплавкой в дуговых электропечах. При этом

16