2.2.2. Физико-химические процессы передела чугуна в сталь

Независимо от типа печи характер процессов, сопутствующих переделу чугуна в сталь, остается неизменным, и в первом приближении можно выделить два периода плавки. Первый период называют окислительным. Так как сталь отличается по химическому составу от чугуна только уровнем содержания примесей (С, Si, Мп), то основной задачей первого периода является, возможно, быстрое выжигание (окисление) этих примесей. Параллельно решаются и другие, второстепенные задачи, такие, как снижение содержания растворенных газов, фосфора и неметаллических включений. На рисунке 2.2.9. схематически показаны основные способы ведения первого периода плавки и сопутствующие ему реакции.

Как видно из схемы, окисление примесей можно вести за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака, образующегося к концу расплавления шихты, за счет добавки руды в шлак и путем вдувания кислорода непосредственно в чугун под слой шлака. Примеси чугуна (С, Si и Мп) окисляются за счет реакции с FeO, образующейся в результате окисления шихты при плавке или вводимой в шихту в виде руды. После расплавления шихты и образования шлака FeO распределяется в некоторой пропорции между шлаком и металлом. Находящийся в шлаке FeO до окисляется на границе шлак–печные газы до Fе₂0₃, который растворяется в шлаке, и на границе шлак-металл снова восстанавливается до FeO. При этом шесть молекул FeO, вступившие в реакцию в начале цикла, дают восемь молекул в конце его. В результате многократного повторения циклов шлак пересыщается FeO и происходит переход FeO из шлака в расплав чугуна, где он взаимодействует с Si, С и Мп. Соответствующие реакции приведены на схеме. Оксиды кремния, марганца, железа и кальция, сплавляясь вместе, переходят в шлак. Оксид углерода в виде пузырьков поднимается на поверхность ванны, облегчая всплывание продуктов окисления и попутно удаляя растворенные в металле Газы.

Окисление примесей за счет естественной диффузии кислорода через слой шлака протекает медленно, что растягивает во времени процесс плавки и снижает производительность печей. Стремясь ускорить насыщение шлака FeO, в него забрасывают руду, что существенно ускоряет процесс выжигания примесей. В этом случае скорость окисления определяется скоростью диффузионного перехода FeO из шлака в металл. Для еще большего ускорения передела чугуна в сталь производят вдувание кислорода непосредственно в расплав чугуна, в результате чего FeO, необходимый для окисления примесей чугуна, образуется в самом расплаве.

Футеровка печи может быть кислой и основной. В последнем случае в шлаке содержится большое количество СаО и FeO одновременно, что создает условия для удаления фосфора. Соответствующие реакции приведены на схеме.

К концу первого периода расплав по химическому составу является сталью, но он содержит избыток FeO, в результате чего свойства такой стали низкие. В связи с этим необходимо провести второй (восстановительный) период плавки. Проводить его можно двумя способами: диффузионным и осадочным раскислением. Возможны два способа диффузионного раскисления. По первому способу, переходя ко второму периоду, удаляют шлак и наводят новый из извести, песка и плавикового шпата. По второму способу шлак не снимают, а прямо в него забрасывают раскислители: ферросилиций, ферромарганец и электродный бой (кокс). В шлаке идет реакции восстановления железа из FeO, что приводит к нарушению равновесия в распределении этой примеси между шлаком и металлом и обуславливает ее диффузионный переход из метала в шлак. Процесс диффузионного раскисления протекает медленно, но обеспечивает высокое качество стали, так как продукты реакций раскисления, протекающих в шлаке, растворяются в нем.

Осадочное раскисление требует удаления окисленного шлака и введения раскислителей в расплав. Процесс раскисления протекает быстро, но продукты реакций раскисления МпО и Si0₂ частично остаются в металле.

Если плавка ведется в печи с основной футеровкой, то во втором периоде создаются условия для снижения содержания серы. Реакция между FeS и СаО обратима, и для ее завершения необходимо удалять из расплава один из продуктов реакции, а именно FeO, что и наблюдается в ходе второго периода. Окончательное раскисление металла после доводки по химическому составу осуществляется добавкой алюминия и, в отдельных случаях, редкоземельных элементов.

Следует отметить, что одним из раскислителей стали является углерод, реакция которого с FeO обеспечивает «кипение» ванны, т.е. выделение пузырьков СО. Разливку стали могут осуществлять на различных стадиях завершенности раскисления. Если процесс «кипения» закончился, то получают слитки спокойной стали. В обратном случае сталь может быть кипящей и полуспокойной.

Плавка в кислых печах обычно применяется в литейных цехах при производстве стальных отливок. Кислый шлак содержит до 60% Si0₂, который способен в больших количествах растворять оксид железа, образуя (FeO)₂Si0₂. Для высвобождения FeO и создания его избытка в шлаке в ходе первого (окислительного) периода плавки забрасывают небольшими порциями известняк или руду. Во втором периоде для раскисления металла снимают окислительный шлак и наводят новый из смеси песка и измельченного шамота. Оксид железа переходит из стали в шлак, в результате чего происходит самораскисление металла. Таким образом, плавка в печи с кислой футеровкой позволяет экономить раскислители и обеспечивает более низкое содержание неметаллических включений в стали. Но следует иметь в виду, что в печи с кислой футеровкой затруднено удаление серы и фосфора, так как невозможно создать высококосовый шлак. Следствием этого являются высокие требования по содержанию этих примесей в исходной шихте.