Сталеплавильный процесс производства стали из железной руды и / или лома . В сталеплавильном производстве такие примеси , как азот , кремний , фосфор , сера и избыток углерода (наиболее важная примесь), удаляются из получаемого железа, а легирующие элементы, такие как марганец , никель , хром , углерод и ванадий , добавляются для производства различных сортов железа. сталь . Ограничение растворенных газов, таких как азот и кислороди захваченные примеси (называемые «включениями») в стали также важны для обеспечения качества изделий, отлитых из жидкой стали . [1]
Сталеплавильный существовала на протяжении тысячелетий, но она не была коммерчески на массовом масштабе до конца 14 - го века . Древним процессом выплавки стали был тигельный процесс . В 1850 - х и 1860-х годов процесс Bessemer и процесс Siemens-Martin превратился выплавку стали в тяжелой промышленности . Сегодня существует два основных промышленных процесса производства стали, а именно производство стали в кислородном кислороде , в котором в качестве основного сырья используется жидкий чугун из доменной печи и стальной лом, и производство стали в электродуговой печи (ЭДП), при котором используется стальной лом или прямой металлолом. восстановленное железо (DRI) в качестве основного сырья. Производство стали с использованием кислорода происходит преимущественно за счет экзотермического характера реакций внутри емкости; Напротив, в сталеплавильном производстве из ДСП электрическая энергия используется для плавления твердого скрапа и / или материалов прямого восстановления. В последнее время технология сталеплавильного производства в ЭДП приблизилась к производству стали в кислородной печи, поскольку в этот процесс вкладывается больше химической энергии. [2]
Сталеплавильное производство - одна из отраслей с наиболее интенсивным выбросом углерода в мире. По [Обновить]оценкам, к 2020 году на сталеплавильное производство будет приходиться от 7 до 9 процентов всех прямых выбросов парниковых газов от ископаемого топлива . [3] Чтобы смягчить глобальное потепление, отрасли необходимо будет сократить выбросы. [4] В 2020 году McKinsey определила ряд технологий декарбонизации, включая использование водорода, улавливание и повторное использование углерода, а также максимальное использование электродуговых печей, работающих на экологически чистой энергии. [4]
История
Сталелитейное производство сыграло решающую роль в развитии древних, средневековых и современных технологических обществ. Ранние процессы производства стали производились в классическую эпоху в Древнем Иране , Древнем Китае , Индии и Риме, но процесс древнего производства стали был утерян на Западе после падения Западной Римской империи в V веке нашей эры. [5]
Чугун - твердый, хрупкий материал, с которым трудно работать, тогда как сталь - ковкий, относительно легко формируемый и универсальный материал. На протяжении большей части истории человечества сталь производилась в небольших количествах. С момента изобретения процесса Бессемера в 19 веке и последующих технологических разработок в технологии впрыска и управления процессами массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым показателем современного технологического развития. [6] Самый ранний способ производства стали был в цехе .
Ранние современные методы производства стали часто требовали больших затрат труда и требовали высокой квалификации. Видеть:
- Кузница для изысканной отделки , в которой можно было производить сталь с помощью немецкого процесса отделки .
- блистерная сталь и тигельная сталь .
Важным аспектом промышленной революции было развитие крупномасштабных методов производства ковочного металла ( пруткового железа или стали). Пудлингование печи первоначально средство получения кованого железа , но позже был применен к производству стали.
Настоящая революция в современном сталеплавильном производстве началась только в конце 1850-х годов, когда бессемеровский процесс стал первым успешным методом производства стали в больших количествах, за которым последовала мартеновская печь .
Современные процессы
Современные сталеплавильные процессы можно разделить на две категории: первичные и вторичные.
Первичное производство стали включает преобразование жидкого чугуна из доменной печи и стального лома в сталь путем выплавки стали в кислородном кислороде или плавления стального лома или железа прямого восстановления (DRI) в электродуговой печи.
Вторичное производство стали включает рафинирование необработанной стали перед разливкой, а различные операции обычно выполняются в ковшах. Во вторичной металлургии добавляются легирующие агенты, количество растворенных газов в стали уменьшается, а включения удаляются или химически изменяются, чтобы гарантировать получение высококачественной стали после литья. [7]
Первичное производство стали
Производство стали в кислородном конвертере - это метод первичной выплавки стали, при котором обогащенный углеродом жидкий чугун превращается в сталь. Продувка кислородом расплавленного чугуна снижает содержание углерода в сплаве и превращает его в сталь. Процесс известен как основная из - за химической природы огнеупоров - оксид кальция и оксид магния -Вот линии сосуд , чтобы выдерживать высокую температуру и коррозионный характер расплавленного металла и шлака в емкости. Шлак химия процесса также контролируется , чтобы гарантировать , что примеси , такие как кремний и фосфор, удаляются из металла.
Процесс был разработан в 1948 году Робертом Даррером с использованием усовершенствованного конвертера Бессемера, в котором продувка воздухом заменена продувкой кислородом . Это снизило капитальные затраты заводов и время плавки, а также повысило производительность труда. Между 1920 и 2000 годами потребность в рабочей силе в отрасли снизилась в 1000 раз, с более чем 3 человеко-часов на тонну до 0,003 человеко-часов. Подавляющее большинство стали, производимой в мире, производится с использованием кислородной печи; в 2011 году на его долю приходилось 70% мирового производства стали. Современные печи загружают до 350 тонн чугуна и превращают его в сталь менее чем за 40 минут по сравнению с 10–12 часами в мартеновской печи . [8]
Производство стали в электродуговых печах - это производство стали из лома или чугуна прямого восстановления, выплавленного в электрической дуге . В электродуговой печи партию стали («нагрев») можно запустить путем загрузки лома или железа прямого восстановления в печь, иногда с «горячей пятой» (расплавленной стали после предыдущего плавления). Газовые горелки могут использоваться для плавления груды металлолома в печи. Как и при производстве стали с кислородным азотом, флюсы также добавляются для защиты футеровки корпуса и улучшения удаления примесей. При производстве стали в электродуговых печах обычно используются печи емкостью около 100 тонн, которые производят сталь каждые 40–50 минут для дальнейшей обработки. [8]
Вторичное производство стали
Вторичная выплавка стали чаще всего осуществляется в ковшах . Некоторые из операций, выполняемых в ковшах, включают раскисление (или «гашение»), вакуумную дегазацию, добавление сплава, удаление включений, изменение химического состава включений, десульфуризацию и гомогенизацию. В настоящее время стали обычным делом проводить металлургические операции в ковшах с газовой мешалкой и электродуговым нагревом в крышке печи. Жесткий контроль ковшевой металлургии связан с производством высококачественной стали с узкими допусками по химическому составу и консистенции. [7]
Производство стали HIsarna
В процессе производства чугуна HIsarna, железная руда обрабатывается почти непосредственно в жидкое железо или горячий металл . Процесс основан на типе доменной печи, называемой циклонной конвертерной печью , что позволяет пропустить процесс производства чугунных окатышей, необходимых для основного процесса производства стали в кислородном конвертере . Без необходимости этого подготовительного этапа процесс HIsarna более энергоэффективен и имеет меньший углеродный след, чем традиционные процессы производства стали.
Выбросы углекислого газа
По состоянию на 2020 год[Обновить], по оценкам, на сталеплавильное производство приходится от 7 до 9 процентов всех прямых выбросов парниковых газов от ископаемого топлива . [3] При производстве 1 тонны стали образуется около 1,8 тонны углекислого газа. [9]
Основная часть выбросов при производстве стали возникает в результате промышленного процесса, в котором уголь используется в качестве источника углерода, который удаляет кислород из железной руды в следующей химической реакции, которая происходит в доменной печи : [10]
Fe 2 O 3 (тв) + 3 CO (г) → 2 Fe (тв) + 3 CO 2 (г)
Дополнительные выбросы углекислого газа возникают в результате производства стали , прокаливания и горячего дутья в кислородном растворе .
Доменная печь
Для производства чистой стали необходимы железо и углерод. Само по себе железо не очень прочное, но низкая концентрация углерода - менее 1 процента, в зависимости от типа стали, придает стали ее важные свойства. Углерод в стали получают из угля, а железо - из железной руды . Однако железная руда представляет собой смесь железа и кислорода, а также других микроэлементов. Чтобы сделать сталь, железо нужно отделить от кислорода и добавить небольшое количество углерода. И то, и другое достигается путем плавления железной руды при очень высокой температуре (1700 градусов по Цельсию или более 3000 градусов по Фаренгейту) в присутствии кислорода (из воздуха) и типа угля, называемого коксом . При таких температурах железная руда выделяет кислород, который уносится углеродом из кокса в виде диоксида углерода.
Fe 2 O 3 (тв) + 3 CO (г) → 2 Fe (тв) + 3 CO 2 (г)
Реакция происходит из-за более низкого (благоприятного) энергетического состояния диоксида углерода по сравнению с оксидом железа, и для достижения энергии активации этой реакции необходимы высокие температуры . Небольшое количество углерода связывается с железом, образуя чугун , который является промежуточным звеном перед сталью, поскольку в нем слишком высокое содержание углерода - около 4%. [11]
Обезуглероживание
Чтобы снизить содержание углерода в передельном чугуне и получить желаемое содержание углерода в стали, передельный чугун повторно плавят и продувают кислородом в процессе, называемом кислородным производством стали , который происходит в ковше . На этом этапе кислород связывается с нежелательным углеродом, унося его в виде углекислого газа, дополнительного источника выбросов. После этого шага содержание углерода в передельном чугуне значительно снижается, и получается сталь.
Кальцинирование
Дальнейшие выбросы углекислого газа возникают в результате использования известняка , который плавится при высоких температурах в реакции, называемой кальцинированием , которая имеет следующую химическую реакцию.
CaCO 3 (тв) → CaO (тв) + CO 2 (г)
Таким образом, углерод в известняке выделяется в виде диоксида углерода, что делает его дополнительным источником выбросов. Оксид кальция действует в качестве химического потока , удаляет примеси в виде шлака . Например, оксид кальция может реагировать, удаляя примеси оксида кремния:
SiO 2 + CaO → CaSiO 3
Такое использование известняка для получения флюса происходит как в доменной печи (для получения чугуна), так и при производстве стали с кислородным содержанием основного вещества (для получения стали).
Горячий взрыв
Дальнейшие выбросы углекислого газа возникают в результате горячего дутья , которое используется для увеличения тепла в доменной печи. Горячий дутье нагнетает горячий воздух в доменную печь, где железная руда восстанавливается до чугуна, помогая достичь высокой энергии активации. Температура горячего дутья может составлять от 900 ° C до 1300 ° C (от 1600 ° F до 2300 ° F) в зависимости от конструкции и состояния печи. Нефть , гудрон , природный газ , порошкообразный уголь и кислород также могут быть введены в печь для объединения с коксом, чтобы высвободить дополнительную энергию и увеличить процент присутствующих газов-восстановителей, увеличивая производительность. Если воздух горячего дутья нагревается за счет сжигания ископаемого топлива, что часто имеет место, это дополнительный источник выбросов углекислого газа. [12]
Смотрите также
- История черной металлургии (1850–1970)
- История черной металлургии (1970-настоящее время)
- Обезуглероживание кислородом аргона
- Обезуглероживание
- FINEX
- Процесс Flodin
- Стальная мельница
- Углеродная добавка
- Металлургический уголь
- Доменная печь
- Кальцинирование
- Производство стали в кислородной среде
Рекомендации
- ^ Део, Брахма; Бум, Роб (1993). Основы сталеплавильного производства и металлургии . Нью-Йорк : Prentice Hall International . ISBN 9780133453805. LCCN 92038513 . OCLC 473115765 .
- ^ Туркдоган, ET (1996). Основы сталеплавильного производства . Лондон : Институт материалов . ISBN 9781907625732. OCLC 701103539 .
- ^ а б «Европа лидирует в« озеленении »производства стали» . www.ft.com . Проверено 20 ноября 2020 .
- ^ а б «Обезуглероживание стали | McKinsey» . www.mckinsey.com . Источник 2021-04-03 .
- ^ Пал, Рон (2002). Отрыв от учебника: предыстория до 1600 года . Scarecrow Press Inc. стр. 53 . ISBN 978-0810837591.
- ^ Сасс, Стивен Л. (август 2011 г.). Субстанция цивилизации: материалы и история человечества от каменного века до эпохи кремния . Нью-Йорк : Издательство Аркады . ISBN 9781611454017. OCLC 1078198918 .
- ^ а б Гош, Ахиндра. (13 декабря 2000 г.). Вторичное производство стали: принципы и приложения (1-е изд.). Бока-Ратон , Флорида : CRC Press . ISBN 9780849302640. LCCN 00060865 . OCLC 664116613 .
- ^ а б Фруэн, Ричард Дж., Изд. (1998). Производство, формование и обработка стали: производство стали и рафинирование (11-е изд.). Питтсбург : AIST . ISBN 978-0-930767-02-0. LCCN 98073477 . OCLC 906879016 .
- ^ Гейтс, Билл (2011). Как избежать климатической катастрофы . п. 103.
- ^ «Доменная печь» . Научная помощь. Архивировано из оригинала 17 декабря 2007 года . Проверено 30 декабря 2007 .
- ^ Кэмп, Джеймс Макинтайр; Фрэнсис, Чарльз Блейн (1920). Производство, формовка и обработка стали (2-е изд.). Питтсбург: Carnegie Steel Co., стр.174 . OCLC 2566055 .
- ^ Американский институт чугуна и стали (2005). Как работает доменная печь . steel.org.
Внешние ссылки
- Короткометражный фильм Драма о стали (1946) доступна для бесплатного скачивания в Интернет-архиве.
- Коллекция фотографий US Steel Gary Works, 1906–1971 гг.
- «Сталь для инструментов для победы» , декабрь 1943 г., научно-популярная большая подробная статья с многочисленными иллюстрациями и вырезками по современным основам производства стали.