13.9.3. Производство стали.

Передел чугуна в сталь заключается в уменьшении количества углерода путем его окисления, в возможно более полном удалении серы и фосфора и в доведении в стали до нужных пределов содержания кремния, марганца и др. элементов.

Окисление углерода можно осуществлять двумя методами: продувкой кислорода через расплавленный чугун - конверторный способ и добавлением в расплавленный чугун твердых окислителей (железной руды, окалины и др.) – мартеновский способ.

В обоих способах углерод окисляется до окиси и двуокиси углерода, а такие примеси, как кремний и марганец в значительной степени переходят в шлак в виде SiО₂ и МnО. Для удаления серы и фосфора необходимо держать в шлаке избыточное количество окиси кальция. Различают кислые и основные методы передела чугуна в сталь. Кислые методы применяют для чугунов, содержащих мало фосфора и серы. В мартеновском способе кислые и основные методы передела чугуна в сталь осуществляются в мартеновских печах. При конверторном способе кислый метод передела чугуна в сталь называется бессемеровским, основной же метод носит название томасовского. Жидкий чугун заливают в конвертор, представляющий собой сосуд, изготовленный из листовой стали, сюда же через сопло вдувается кислород под давлением. Конвертор имеет приспособление для его вращения. Заливка чугуна производится через горловину. После заливки чугуна включается дутье. При продувке кислорода через расплавленный чугун в первый период окисляется железо.

2Fе + О₂ = 2FеО + 518.8кдж

Образовавшаяся закись железа взаимодействует с кремнием и марганцем по реакциям:

Si + 2 FеО = 2Fе + SiО₂ + 369.6 кдж

Мn + FеО = Fе + МnО + 126.4 кдж

Окислы примесей всплывают и переходят в шлак. Металл при этом разогревается, и температура его достигает 1600⁰С. Продолжительность этого периода 3-4 мин. Он называется периодом шлакообразования. Во втором периоде происходит взаимодействие закиси железа с углеродом:

С + FеО = Fе + СО – 75 кдж.

В третьем периоде в результате понижения концентрации углерода в металле окисление его замедляется, усиливается окисление кремния, марганца и железа. По окончании продувки сталь еще не готова, так как в ней присутствует FеО, что делает ее красноломкой и хладноломкой. Для восстановления FеО в конвертор или ковш при разливке стали добавляют раскислители – зеркальный чугун или ферросилиций. Фосфор, содержащийся в чугуне, переходит, в сталь. Недостатком бессемеровского способа является повышенная потеря металла вследствие окисления железа до FеО, переходящего в шлак. Однако высокая производительность конвертора, отсутствие расхода топлива и сравнительная простата обслуживания обусловили преимущественное развитие в производстве стали конверторного способа как более экономичного.

Томасовский способ отличается от бессемеровского в основном тем, что фосфор, содержащийся в чугуне, при продувке кислорода через расплавленный чугун вначале окисляется в Р₂О₅, которая взаимодействует далее с известью, добавляемой в конвертор, и материалом футеровки конвертора.

Мартеновский способ дает возможность передела чугуна различного состава. Потери металла незначительны. В н.в. около 80% стали выплавляется в мартеновских печах. Однако, мартеновский способ менее выгоден, чем конверторный; строительство мартенов обходится дороже, чем конверторов.

Выплавка стали в электрических печах применяется для получения высококачественных углеродистых и специальных сталей. Преобладающее количество электростали выплавляется в дуговых печах. В электрических печах легко достигается температура 2000⁰С и выше, что позволяет выплавлять тугоплавкие стали и вести процесс на сильноосновных шлаках, позволяющих более полно удалять серу и фосфор из стали.

Свойства стали в значительной степени определяются ее составом, в частности, содержанием углерода. В технически чистом железе содержится до 0.02% углерода. Такое железо обладает высокой пластичностью. С увеличением содержания углерода повышается твердость и прочность стали и одновременно понижается ее пластичность. Марганец, содержание которого в сталях составляет от 0.2 до 1.0% и выше, повышает твердость и прочность стали и одновременно понижает пластические свойства. Кремний повышает предел прочности стали. Никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и некоторые другие металлы вводятся в сталь для придания ей особых свойств. По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. По назначению сталь делится на конструкционную, инструментальную и сталь с особыми свойствами (нержавеющая, кислотоупорная, жаропрочная и др.) Сера, фосфор и растворенные газы являются вредными примесями в сталях.

Процессами прямого получения железа называются способы получения губчатого железа, металлизированного сырья, литого железа или стали непосредственно из железорудного сырья, минуя доменный процесс. Существующие методы прямого получения железа подразделяются:

1) По физическому состоянию получаемого продукта, и соответственно по температуре процесса на:

- получение губчатого железа и металлизированных окатышей при температуре ниже температуры плавления пустой породы;

- получение крицы, т.е. слипшейся массы губчатого железа при температуре плавления пустой породы с образованием шлака;

- получение жидкой стали при температурах выше температуры плавления железа.

2) По природе используемого восстановителя на:

- использование твердых восстановителей;

- использование газообразных восстановителей (СО, Н₂)

3) По состоянию слоя обрабатываемого сырья и, соответственно, по конструкции применяемого оборудования на:

- восстановление в плотном неподвижном слое;

- восстановление в плотном подвижном слое;

- восстановление во взвешенном слое;

- восстановление в кипящем слое.

Из этих методов наибольшее распространение получили процессы получения губчатого железа и металлизированных окатышей из высококачественных руд восстановлением в шахтных печах газообразными восстановителями.