Pagrindiniai plieno pramonės gamybos procesai

Plienas, kaip šiuolaikinės pramonės pagrindas, yra infrastruktūros, gamybos, transporto ir daugybės kitų sektorių pagrindas visame pasaulyje. Jo gamyba yra sudėtingas, kelių{1}}pakopų procesas, kurio metu neapdoroti mineralai paverčiami didelio našumo-metalinėmis medžiagomis. Pagrindinė darbo eiga susideda iš keturių tarpusavyje susijusių etapų: geležies gamybos, plieno gamybos, nuolatinio liejimo ir plieno valcavimo. Kiekvienas veiksmas atlieka svarbų vaidmenį tobulinant medžiagos sudėtį, struktūrą ir savybes, užtikrinant, kad ji atitiktų įvairius galutinių naudotojų reikalavimus. Žemiau pateikiamas išsamus šių pagrindinių procesų aprašymas

1. Geležies gamyba: metalinės geležies išgavimas iš rūdų

Geležies gamyba yra pagrindinis žingsnis, kurio metu geležies{0}}turinčios rūdos paverčiamos skystu ketu (karštu metalu), pagrindine plieno gamybos žaliava. Šio proceso esmė yra aukštakrosnė (BF), aukšta cilindrinė konstrukcija, paprastai 30–60 metrų aukščio, išklota karščiui -atspariomis ugniai atspariomis medžiagomis, kad atlaikytų ekstremalias temperatūras (1300–1500 laipsnių).

Geležies gamyboje naudojamos žaliavos apima tris pagrindinius komponentus: geležies rūdą (sukepintą ir gabalinę rūdą, kurioje yra 55–65 % geležies oksido), koksą (iš anglies gaunamas -anglies turtingas kuras, atliekantis du šilumos šaltinio ir reduktorius) ir srautą (pirmiausia kalkakmenis, kuris reaguoja su priemaišomis ir sudaro šlaką). Šios medžiagos sumaišomos tiksliomis proporcijomis ir tiekiamos į aukštakrosnę iš viršaus per varpą arba varpinę -mažesnę įkrovimo sistemą. Tuo tarpu iš anksto pašildytas oras (karštas pūtimas) įpurškiamas per purkštukus, vadinamus vamzdžiais, esančius krosnies apačioje, uždegant koksą ir sukuriant aukštą -temperatūrą mažinančią atmosferą.

Šioje aplinkoje įvyksta daugybė cheminių reakcijų: koksas dega, kad susidarytų anglies monoksidas (CO), kuris reaguoja su geležies oksidu (Fe2O3) rūdose ir paverčia jį metaline geležimi. Kalkakmenis skyla į kalcio oksidą (CaO), kuris rūdose susijungia su silicio dioksidu (SiO₂), aliuminio oksidu (Al2O3) ir kitais mineralais, sudarydamas išlydytą šlaką -šalutinį produktą, kuris dėl mažesnio tankio plūduriuoja ant skystos geležies. Po 6–8 valandų lydymosi išlydytas ketus (kurio anglies kiekis 3,5–4,5 % kartu su priemaišomis, pvz., siera, fosforu ir manganu) iš krosnies išpilamas per sriegio angą, o šlakas pašalinamas atskirai perdirbimui arba pramoniniam naudojimui. Šiuolaikiniuose geležies gamybos įrenginiuose dažnai naudojamos energiją{8} taupančios technologijos, pvz., susmulkintos anglies įpurškimas (PCI) arba gamtinių dujų įpurškimas, siekiant sumažinti kokso suvartojimą ir anglies dvideginio išmetimą.

2. Plieno gamyba: priemaišų rafinavimas ir legiravimas

Plieno gamyba – tai ketaus gryninimo procesas, pašalinant anglies perteklių ir kenksmingas priemaišas (sierą, fosforą, deguonį ir kt.), o jo cheminę sudėtį koreguojant legiravimo elementais, kad būtų pasiektos norimos mechaninės savybės (stiprumas, kietumas, atsparumas korozijai). Dvi dominuojančios plieno gamybos technologijos pasaulyje yra pagrindinės deguonies krosnies (BOF) plieno gamyba ir elektrinės lankinės krosnys (EAF) plieno gamyba.

Pagrindinės deguonies krosnies (BOF) plieno gamyba

BOF plieno gamyba sudaro apie 70 % pasaulinės plieno gamybos, kaip žaliavas naudoja skystą ketų (70–80 % įkrovos) ir plieno laužą (20–30 %). Procesas vyksta pakreipiamame, ugniai atspariame{6}}konverteryje, kurio talpa 100–400 tonų. Vandeniu{10}}aušinamas deguonies pistoletas nuleidžiamas į keitiklį, pučiantis didelio-grynumo deguonį (99,5 %+) ant išlydytos geležies paviršiaus viršgarsiniu greičiu. Deguonis energingai reaguoja su anglimi (sudaro CO ir CO₂ dujas), silicį, manganą ir fosforą, generuodamas intensyvią šilumą (iki 1650 laipsnių), kuri palaiko rafinavimo procesą be išorinės energijos sąnaudų.

Norint kontroliuoti šlako sudėtį ir efektyviai pašalinti sierą bei fosforą, pūtimo metu įpilama tokių srautų kaip kalkės (CaO) ir dolomitas. Rafinavimo ciklas trunka 20–40 minučių, o operatoriai stebi procesą matuodami temperatūrą ir imdami cheminius mėginius, kad įsitikintų, jog plienas atitinka tikslines specifikacijas. Baigus rafinuoti, pridedami legiravimo elementai (pvz., manganas, silicis, chromas, nikelis, vanadis), kad būtų pritaikytos plieno savybės-pavyzdžiui, manganas padidina stiprumą ir kietumą, o chromas pagerina nerūdijančio plieno atsparumą korozijai.

Elektrinių lankinių krosnių (EAF) plieno gamyba

EAF plieno gamyba daugiausia priklauso nuo plieno laužo (iki 100 % įkrovos) kaip žaliavos, todėl tai yra apskritas ir efektyvesnis energijos{1} procesas, palyginti su BOF. Krosnyje naudojami trys grafito elektrodai, kad generuotų elektros lanką (1000–1200 laipsnių), kuris išlydo laužą. Priemaišoms oksiduoti įpurškiamas deguonis, o šlakams susidaryti pridedami srautai. EAF taip pat gali turėti tiesioginį sumažintą geležį (DRI) arba karštą briketą (HBI), kad papildytų laužą ir pagerintų plieno kokybę. Šis metodas plačiai naudojamas gaminant specialųjį plieną (pvz., įrankių plieną, legiruotą plieną) ir yra palankus regionuose, kuriuose gausu laužo išteklių arba mažos elektros sąnaudos.

Po pirminio rafinavimo dauguma plieno yra antrinio rafinavimo (pvz., kaušinės krosnies (LF) rafinavimo, RH vakuuminio degazavimo), siekiant dar labiau sumažinti priemaišas, reguliuoti temperatūrą ir pagerinti homogeniškumą. Antrinis rafinavimas užtikrina, kad plienas atitiktų griežtus kokybės standartus, taikomus aukščiausios klasės -naudojimui, pvz., automobilių detalėms, aviacijos ir kosmoso komponentams ir statybiniam -klasės konstrukciniam plienui.

3. Nepertraukiamas liejimas: plieno kietinimas į ruošinius

Nepertraukiamas liejimas (CC) yra esminis ryšys tarp plieno gamybos ir plieno valcavimo, pakeičiantis tradicinį liejimo liejimo metodą, siekiant pagerinti efektyvumą, sumažinti atliekų kiekį ir pagerinti gaminio kokybę. Proceso metu išlydytas plienas paverčiamas pusgaminiais, vadinamais nepertraukiamo liejimo ruošiniais (plokštėmis, žiedais, ruošiniais arba apvaliais), kurie yra tiesiogiai tinkami valcavimui.

Nepertraukiamo liejimo liniją sudaro keli pagrindiniai komponentai: kanalizacijos vamzdis (tarpinis indas, kuriame saugomas išlydytas plienas iš plieno gamybos krosnies, stabilizuojamas plieno srautas ir pašalinami dideli intarpai), vandeniu aušinamos vario formos (pirminė kietėjimo zona), antrinė aušinimo zona (su purškimo antgaliais, kurie aušina liejamą miglą), ir ištraukiamas vandens ištraukimo įrenginys (kietinamasis rūkas). mesti 坯 pastoviu greičiu ir ištiesina, kad išvengtų deformacijos).

Išlydytas plienas (1500–1550 laipsnių) iš plieno gamybos kaušelio pilamas į kanalizaciją, kuri tolygiai paskirsto plieną į vieną ar daugiau formų. Formos vandeniu-aušinamos sienelės greitai atvėsina išorinį plieno sluoksnį, suformuodamos sukietėjusį apvalkalą (10–20 mm storio), o šerdis išlieka išlydyta. Kai liejinys 坯 ištraukiamas iš formos kontroliuojamu greičiu (0,5–2,5 m/min, priklausomai nuo gaminio dydžio), antrinė aušinimo zona purškia vandenį ant paviršiaus, kad paspartintų kietėjimą. Visiškai sukietėjus, liejinys 坯 supjaustomas į nurodytą ilgį (6–12 metrų), naudojant liepsnos pjaustytuvus arba žirkles.

Nepertraukiamas liejimas suteikia didelių pranašumų: padidina plieno išeigą 10–15 %, palyginti su liejimu liejant luitus, sumažina energijos sąnaudas, nes nereikia pakartotinai šildyti luitų, ir gaminami vienodo skerspjūvio{2}} ir smulkiagrūdžių mikrostruktūrų liejiniai ruošiniai. Pagaminto liejamo ruošinio tipas priklauso nuo galutinio produkto -plieninių plokščių ir juostų plokščių, konstrukcinių sekcijų sluoksnių, strypų ir vielų ruošinių bei vamzdžių ir kaltinių apvalių.

4. Plieno valcavimas: plieno formavimas ir stiprinimas

Plieno valcavimas yra paskutinis gamybos proceso etapas, kai ištisinio liejimo ruošiniai mechaninio valcavimo būdu deformuojami į gatavus arba pusgaminius. Tikslas – sumažinti ruošinio skerspjūvio plotą-, pagerinti jo matmenų tikslumą ir patobulinti jo mikrostruktūrą, kad būtų pagerintos mechaninės savybės (stiprumas, plastiškumas, kietumas). Du pagrindiniai valcavimo būdai yra karštasis valcavimas ir šaltasis valcavimas, o karštasis valcavimas yra pagrindinis daugelio plieno gaminių procesas.

Karštas valcavimas

Karštas valcavimas atliekamas esant aukštesnei nei plieno rekristalizavimo temperatūrai (1100–1250 laipsnių), todėl medžiaga tampa lankstesnė ir lengviau deformuojama. Procesas prasideda nuolatinio liejimo ruošinio kaitinimu pakartotinio kaitinimo krosnyje (1200–1300 laipsnių), kad būtų užtikrintas vienodas temperatūros pasiskirstymas. Tada šildomas ruošinys praleidžiamas per valcavimo staklynus (grubaus apdirbimo stakles, tarpinius staklynus ir apdailos staklynus), išdėstytus tandeminėje linijoje. Kiekvieną malūno stovą sudaro du ar daugiau ritinėlių, kurie spaudžia ruošinį, sumažindami jo storį (plokštėms ir juostoms) arba pakeičiant jo skerspjūvį (strypams, kampams ir kanalams).

Karšto valcavimo metu plieno mikrostruktūra persikristalizuoja{0}}stambius liejimo proceso grūdelius pakeičia smulkiais, vienodais grūdeliais, todėl pagerėja medžiagos stiprumas ir kietumas. Riedėjimo greitis ir sumažinimo koeficientas (skerspjūvio ploto procentas, sumažintas per praėjimą) yra kruopščiai kontroliuojami, siekiant užtikrinti produkto kokybę. Po valcavimo plienas aušinamas oru arba vandeniu (kontroliuojamas aušinimas), kad būtų dar labiau optimizuota jo mikrostruktūra. Karštai valcuoti gaminiai: karštai valcuoti ritiniai (naudojami vamzdžiams, automobilių dalims ir statyboms), karštai valcuoti strypai (mašinoms ir tvirtinimo detalėms) ir karštai valcuoti profiliai (pastatams ir tiltams).

Šaltasis valcavimas (papildomas procesas).

Nors pradiniame proceso aprašyme pagrindinis dėmesys skiriamas karštajam valcavimui, šaltasis valcavimas dažnai yra vėlesnis etapas gaminiams, kuriems reikalinga aukšta paviršiaus apdaila ir tiksli matmenų tolerancija (pvz., automobilių kėbulo plokštės, elektriniai lakštai, nerūdijančio plieno juostos). Šaltasis valcavimas atliekamas kambario temperatūroje, o tai padidina plieno stiprumą dėl darbo grūdinimo. Procese naudojami mažesni redukcijos koeficientai per praėjimą ir reikalingas tarpinis atkaitinimas (terminis apdorojimas), kad būtų atkurtas elastingumas. Šaltai valcuoti gaminiai turi lygų paviršių, griežtą storio kontrolę ir geresnes mechanines savybes, palyginti su karštai valcuotu plienu.