5. Виробництво сталі.

Для добування сталі з чавуну треба знизити вміст Карбону, Силіцію, Мангану та інших елементів до потрібної норми і якомога повніше видалити шкідливі домішки – сірку і фосфор.

Хімізм переробки чавуну на сталь. Під впливом кисню повітря в розплавленому чавуні, починається насамперед швидке окиснення заліза, бо його вміст у чавуні більший, ніж інших елементів:

2Fе + O₂ = 2FеО ∆Н = -556 кДж

Одночасно вищі оксиди феруму, що є в шихті, відновлюються залізом до FеО.

Fе₂O₃ + Fе = 3FеО

Оксид заліза (II) добре розчиняється в чавуні і окиснює роз­чинені в ньому інші компоненти:

Sі + 2FеО = 8SiO₂ + 2Fе ∆Н = -264 кДж

Мn + FеО = МnО + Fе ∆Н = -100 кДж

2Р + 5FеО = Р₂O₅ + 5Fе ∆Н = -199 кДж

Частково ці елементи окиснюються й киснем. Утворені окси­ди SіО₂, Р₂О₅ взаємодіють із флюсами і перетворюються на шлак (у шлак переходять також МnО, FеО, Fе₂О₃). Флюси звільняють частково метал віл Сульфуру, бо сульфід кальцію нерозчинний в металі:

СаО + FеS = FеО + СаS

Шлак спливає і збирається на поверхні металу, захищаючи його від дії кисню. Але процес окиснення не припиняється, а тільки уповільнюється. Оксид феруму (II), що міститься в шлаку, окиснюеться до Fе₂О₃, який дифундує через шлак до металу і окисyює його. З підвищенням температури до 1600°С і вище починав інтенсивно окиснюватись Карбон;

FeО + С = F + СО; ∆Н = +153 кДж

Процес виділення оксиду карбону (II) з рідкого металу називають «кипінням» сталі. Вміст Карбону та інших елементів у сталі контролюють проведенням експрес-аналізів і після досяг­нення необхідного вмісту Карбону видаляють шлак і вводять у сталь розкиснювачі – феросиліцій або фероманган для відновлення розчиненого в сталі FеО:

2FеО + Si = 2Fе + SiO₂

FеО + Мn = Fе + МnО

Якщо потрібно, то наприкінці плавки вводять легуючі елементи.

6. Способи виплавляння сталі.

У промисловості сталь виплав­ляють трьома способами:

• мартенівським,

• киснево-конвертерним,

• електротермічним.

Мартенівський спосіб здійснюється в полуменевій відбивній печі, в якій використовують регенерацію теплоти відхідних газів. Піч має склепіння, передню, задню та бокові сті­ни, під печі та регенератори (по два з кожного боку). В пе­редній стінці розміщені вікна для завантаження шихти, в задній ‒ отвори для випуску сталі і шлаку. Через вікна у піч завантажують чавун, скрап (відходи доменного і сталеливар­ного виробництва: чавун і сталь, розлиті під час випуску, застиглий у ковші метал, брухт, обрізки, стружку, що йдуть на переплавлення), флюси і деяку кількість руди.

У піч вводять через одну пару регенераторів попередньо нагріті повітря і паливо (природний газ). При згорянні палива утворюється факел з температурою 1800‒1900°С. Метал і руда плавляться, у роз­плав вводять добавки, потрібні для добування сталі заданого складу. Вигоряння домішок відбувається частково за рахунок кисню повітря, яке подають через фурми в склепінні печі. Силь­ний струмінь повітря, збагаченого киснем, пробиває шар шлаку і надходить безпосередньо до рідкого металу. Продукти горіння палива з температурою 1600°С відводяться через другу пару регенераторів. Через кожні 20‒30 хв поворотом клапанів напрямленість потоків газу і повітря, а також продуктів згоряння змінюється. Так відбувається регенерація теплоти.

Нині нові мартенівські печі не будують. Але ще значна ча­стина сталі виплавляється у мартенах, тому існує ряд заходів з інтенсифікації їх роботи. Так, збільшення економічності мартенів і підвищення знімання сталі з 1 м² досягають викори­станням повітря, збагаченого киснем (об’ємна частка О₂ 30%), застосуванням висококалорійного природного газу, перебудовою звичайних мартенівських печей на двованні.

Двованні печі характеризуються незначним витра­чанням палива і короткочасністю плавки. Вони не потребують регенераторів і працюють так: спочатку в одну з ванн зали­вають рідкий чавун з ковша у вікно по жолобу і продувають його киснем із фурм. При цьому виділяється СО, який відразу ж згоряє під склепінням ванни. Продукти горіння надходять до другої ванни, розплавляють у ній шихту (скрап + флюси), нагріваючи метал до високої температури. Наприкінці процесу спалюють також і природний газ. Після випуску сталі з першої ванни в неї завантажують рідкий чавун, скрап і флюси, а в другій ванні починають продування із зворотним рухом газів. Плавка триває близько 2 год, а продуктивність двованної печі (по 300 т в кожній) ‒ до 1,2 млн. тонн за рік.

Киснево-конвертерний спосіб здійснюється в кисневих кон­вертерах. Це апарати періодичної дії. Вони виготовле­ні із стальних зварених між собою листів і викладені зсередини вогнетривкою цеглою. Зверху через горловину конвертер заван­тажують брухтом і рідким чавуном і вводять кисень (99,5%) за допомогою фурми, що охолоджується водою. Струмінь кисню під тиском 0,9‒1,4 МПа пронизує метал, зумовлюючи його циркуляцію і перемішування зі шлаком.

Особливістю процесу є те, що він ґрунтується на використан­ні теплоти екзотермічних реакцій, які відбуваються, і не потре­бує зовнішнього джерела теплоти. Завдяки великій поверхні стикання чавуну з киснем і високій температурі реакції окиснення Силіцію, Мангану, Карбону та інших елементів відбу­ваються набагато інтенсивніше, ніж під час мартенівського спо­собу. Плавка в конвертері триває 35‒40 хв, а швидкісна марте­нівська плавка ‒ 6‒9 год. Тут також є можливість добавляти в конвертер брухт, руду, флюси. При однаковій продуктивності капітальні витрати на будівництво киснево-конвертерного цеху на 26‒85% нижчі, а собівартість сталі на 5‒7% менша, ніж при застосуванні мартенівського способу.

Електротермічний спосіб відомий з 1880 р. Він здійснюється в електричних дугових або індукційних печах. Сировиною є мартенівська сталь, брухт із легуючими добавками (нікелю, ферохрому, ферованадію, феровольфраму). Для продування роз­плаву використовують чистий кисень (азот повітря погіршує якість сталі). Застосування електроенергії як джерела теплоти дає можливість підтримувати в печах температуру 2000°С і точніше її регулювати, збільшувати кількість флюсів для повні­шого видалення фосфору і сірки. Електропечі дають змогу виплавляти сталь у відновній, окиснювальній або нейтральній атмосфері й у вакуумі.

У промисловості застосовують переважно дугові печі, в яких теплота утворюється внаслідок виникнення елект­ричної дуги між електродами і шихтою. Продукт електроплавки ‒ високоякісні леговані сталі різноманітного призна­чення.