Производство стали

Сущность процесса. Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 1).

Таблица 1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

Материал	С	Si	Mn	P	S
Передельный чугун	4-4.4	0.76-1.26	до 1.75	0.15-0.3	0.03-0.07
Сталь низкоуглеродистая	0.14-0.22	0.12-0.3	0.4-0.65	0.05	0.055

Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи

Fe + 1/2O₂ = FeO +263.68. (1)

Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + 330.5 кДж; (2)

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + 225.94 кДж; (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + 122.59 кДж; (4)

FeO + C = CO + Fe - 153.93 кДж. (5)

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее протекают процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. В соответствии с законом распределения (закон Нернста), если какое - либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения) постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Si, P, Mn, C) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения, в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.

Используя изложенные законы, процессы выплавки стали осуществляются в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходит окисление железа и окисление примесей Si, P, Mn по реакциям (1) - (4). Наиболее важная задача этого этапа: удаление фосфора - одной из вредных примесей в стали. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак СаО. Выделяющийся по реакции (3) фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO) ₃×P₂O₅. Оксид кальция СаО - более сильное основание, чем оксид железа поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид P₂O₅, переводя его в шлак:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) «(4CaO× P₂O₅) + 5[Fe]. (6)

Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышениясодержания FeO в шлаке в печь добавляют окалину, железную руду. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фосфора из замедляется. Поэтому для боее полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирается шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО.

Второй этап - «кипение» металлической ванны - начинается по мере ее прогревания до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла в соответствии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Поскольку в металле углерода содержится больше, чем других примесей, то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки окиси углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» металла. При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к пузырькам СО, а также другие газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны является основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида FeS, который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:

FeS + CaO = CaS + FeO. (7)

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали FeS и CaO в шлаке.

Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе.

Как следует из реакции (7), чем больше в шлаке CaO и меньше FeO, тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому при плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

Третий этап - (завершающий) - раскисление стали - заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляется двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Mn, Si, Al и др.), которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃ и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь и удаляются в шлак. Однако часть их остается в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелко размельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начинает переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO + C = CO + Fe оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений - продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы мало реагируют с кислородом по сравнению с железом. Это Co, Ni, Mo, Cu, которые практически не окисляются и поэтому их вводят в печь в любое время плавки(обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, которые лучше взаимодействуют с кислородом по сравнению с первой группой (Mn, Cr, V, Al, Ti и др.) вводят в металл после или одновременно с раскислением, в конце плавки.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конверторах, дуговых электропечах.