Сталеплавильное производство - Steelmaking

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 кислород, и захваченных примесей (называемых «включениями») в стали также важно для обеспечения качества изделий, отлитых из жидкой стали .

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), в 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 производства стали из ЭДП приблизилась к производству стали в кислородной печи, поскольку в процесс вводится больше химической энергии.

Производство стали - одна из отраслей с наиболее интенсивным выбросом углерода в мире. По оценкам, к 2020 году на сталеплавильное производство будет приходиться от 7 до 9 процентов всех прямых выбросов парниковых газов от ископаемого топлива . Чтобы смягчить последствия глобального потепления, отрасли необходимо будет сократить выбросы. В 2020 году McKinsey определила ряд технологий декарбонизации, включая использование водорода, улавливание и повторное использование углерода, а также максимальное использование дуговых электропечей, работающих на экологически чистой энергии.

История

Bethlehem Steel (на фото предприятие в Вифлееме, штат Пенсильвания ) была одним из крупнейших в мире производителей стали до своего закрытия в 2003 году.

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 .

Чугун - твердый, хрупкий материал, с которым трудно работать, тогда как сталь - ковкая, относительно легко деформируемая и универсальный материал. На протяжении большей части истории человечества сталь производилась в небольших количествах. С момента изобретения процесса Бессемера в Британии XIX века и последующих технологических разработок в технологии впрыска и управления процессами массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым показателем современного технологического развития. Самый ранний способ производства стали был в расцвете .

Ранние современные методы производства стали часто требовали больших затрат труда и требовали высокой квалификации. Видеть:

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

Распределение мирового производства стали по методам

Современные процессы производства стали можно разделить на три этапа: первичный, вторичный и третичный.

Первичное производство стали включает выплавку чугуна в сталь. Вторичное производство стали включает добавление или удаление других элементов, таких как легирующие агенты и растворенные газы. Третичное производство стали включает разливку в листы, рулоны или другие формы. Для каждого шага доступно несколько методов.

Первичная выплавка стали

Основной кислород

Производство стали в кислородном растворе - это метод первичного производства стали, при котором чугун с высоким содержанием углерода плавится и превращается в сталь. При продувке кислородом расплавленного чугуна часть углерода в чугуне преобразуется в CO.-
и CO
2
превратив его в сталь. Огнеупоры - оксид кальция и оксид магния -линии выплавка сосуд , чтобы выдерживать высокие температуры и коррозионную природу расплавленного металла и шлака . Химический состав процесса контролируется, чтобы гарантировать удаление из металла примесей, таких как кремний и фосфор.

Современный процесс был разработан в 1948 году Робертом Дюррером как усовершенствование конвертера Бессемера, который заменил воздух более эффективным кислородом . Это снизило капитальные затраты на установку и время плавки, а также повысило производительность труда. Между 1920 и 2000 годами потребность в рабочей силе в отрасли снизилась в 1000 раз, с всего до 0,003 человеко-часов на тонну. В 2011 году 70% мирового производства стали было произведено с использованием кислородной печи. Печи могут превратить до 350 тонн чугуна в сталь менее чем за 40 минут по сравнению с 10–12 часами в мартеновской печи .

Электрическая дуга

Производство стали в электродуговых печах - это производство стали из лома или чугуна прямого восстановления, выплавленного в электрической дуге . В электродуговой печи шихта («плавка») железа загружается в печь, иногда с «горячей пятой» (расплавленная сталь от предыдущего плавления). Газовые горелки могут использоваться для облегчения плавления. 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.

Хисарнский процесс

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, необходимый 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.

Восстановление водорода

Сталь можно производить из железа прямого восстановления, которое, в свою очередь, можно производить из железной руды, поскольку она подвергается химическому восстановлению водородом. Возобновляемый водород позволяет производить сталь без использования ископаемого топлива. В 2021 году этот процесс был протестирован на пилотном заводе в Швеции. Прямое восстановление происходит при 1500 ° F (820 ° C). Утюг наплавлен углеродом (из угля) в электродуговой печи . Для производства водорода путем электролиза требуется примерно 2600 кВтч . Стоимость оценивается на 20-30% выше, чем у традиционных методов.

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, модификацию 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.

Выбросы углекислого газа

По оценкам, на сталеплавильное производство приходится от 7 до 9% глобальных выбросов двуокиси углерода. При производстве 1 тонны стали образуется около 1,8 тонны углекислого газа. Основная часть этих выбросов связана с промышленным процессом, в котором уголь используется в качестве источника углерода, который удаляет кислород из железной руды в следующей химической реакции, которая происходит в доменной печи :

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 . Побочным продуктом доменной печи является выхлопной газ доменной печи, который содержит большое количество оксида углерода, который в основном сжигается для выработки электроэнергии, что еще больше увеличивает выбросы диоксида углерода. Улавливание и использование углерода или улавливание и хранение углерода - это предлагаемые методы сокращения выбросов диоксида углерода в сталелитейной промышленности после перехода на производство стали с помощью электродуговой сварки.

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%.

Обезуглероживание

Чтобы снизить содержание углерода в передельном чугуне и получить желаемое содержание углерода в стали, передельный чугун переплавляют 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, являющегося дополнительным источником 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 , удаление примесей в виде шлака . Например, оксид кальция может реагировать, удаляя примеси оксида кремния:

SiO 2 + CaO → CaSiO 3

Такое использование известняка для создания флюса происходит как в доменной печи (для получения чугуна), так и при производстве стали с кислородным азотом (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 является дополнительным источником выбросов углекислого газа.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки