5.7. Сущность процесса получения стали.

Исходными материалами являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от предельного чугуна более низким содержанием углерода и примесей.

С% Si Mn P S

передельный чугун 4 – 4,4 0,76 – 1,26 до 1,75 0,15 – 0,3 до 0,07

низкоуглеродная сталь 0,14 – 0,22 0,12 – 0,3 0,4 – 0,65 0,05 до 0,05

Из таблицы видно, как можно получить из чугуна сталь (окислить) Сущностью передела чугуна в сталь является снижение содержание углерода и примесей, путем их избирательного окисления и перевода их в шлак и газов в процессе плавки. Однако сразу удалить все примеси, имеющие разные физико-химические свойства не удается, поэтому для удаления каждой из примесей в стали плавильной печи создаются определенные условии. Для окисления используют кислород воздуха или чистый кислород, который тем или иным способом подают в плавильный агрегат. Иногда для этих целей используют окислы железа, содержащиеся в железной руде и окалине. При в вдувании в чугун кислорода в первую очередь окисляется железо, так как в большом количестве содержится, а затем все другие. Окисление железа и примесей кислородом является первичным окислением.

2F + O₂ → 2FeO (расплавляется в расплаве)

Si + O₂ → SiO₂

2Mn + O₂ → 2MnO шлак

2P + 5O₂ → 2P₂O₅ (1)

C + O₂ → CO₂↑

Все эти реакции экзотермические, при относительно низких температурах. Растворимый в расплаве отдает свой кислород более активным примесям (восстанавливается железо, окисляются примеси). Это так называемая вторичная реакция окисления, которая имеет большое значение, чем первичная.

Si + 2FeO → 2Fe + SiO₂

Mn + FeO → Fe + MnO шлак

2P + 5FeO → 5Fe + P₂O₅ (2)

C + 2FeO → 2Fe + CO₂↑ (3)

Реакция (2) экзотермическая, а (3) – эндотермическая

После расположения шихты в сталеплавильной печи образуется две несмешанные среды: расплавленный металл и шлак. Большинство компонентов сплава и их соединения распределяются между жидким металлом и сплавом в определенном состоянии характерном для конкретной температуры. Изменяя состав шлака можно добиться того, чтобы нежелательные примеси переходили в шлак и удалялись вместе с ними из сплава. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новым путем подачи флюса можно управлять металлургическим процессом.

5.8. Этапы выплавки стали.

Процесс выплавки стали по времени можно разбить на три этапа:

1. Расплавление шихты и нагрев в ванной жидкого металла.

На этом этапе температуры пока невысоки и наиболее эффективно протекают реакции (1) и (2). Если проводить основной процесс, то есть по химическим свойствам шлак основной, содержащим соединение СаО, то на этом этапе главной задачей является удаление из металлов фосфора

P + CaO ↔ (CaO)₄P₂O₅ + Fe (4)

Эта реакция экзотерическая, не требующая высоких температур. Для протекания реакции необходимо наличие в шлаке CaO и FeO, которые специально добавляют в шлак. Насыщенный фосфором шлак необходимо постоянно удалять с поверхности металла и наводить новый, чтобы реакция (4) не пошла в обратном направлении. В кислом процессе фосфор не удаляется.

2. «Кипение» металлической ванны.

Этот этап начинается по мере разогрева ванны жидкого металла до более высоких температур. Здесь наиболее интенсивно протекает эндотермическая реакция окисления углеродом (3). Для идентификации этого процесса вводят окиси железа виде руды, окалины или вдувают чистый кислород. В результате окисления углерода образуется газ СО, который при бурном выделении виде пузырьков создает эффект «кипения». В процессе «кипения» из расплавленного металла удаляются загрязнения (неметаллические включения и газы). Этот эффект называется флотация. В этот период, при основном процессе удаляется сера. Сера находится в металле виде соединения, которая растворяется в шлаке, и тем больше, чем выше его температура. Шлаки с сера взаимодействуют с СаО

FeS + CaO → FeO + caS (*)

Соединение CaS растворяется в шлаке, но не в металле. Удаляя шлак и наводя новый можно удалить серу из металла.

3. Раскисление стали.

В жидком металле в большом количестве содержаться окислы железа. Эти окислы необходимы для протекания вторичных реакций окисления (2), но в готовой стали наличие этих окислов фактор не желательный, поскольку кислород ухудшает свойства стали. Поэтому на заключительном этапе кислород из стали удаляют, то есть проводят операцию раскисления. Для этого в сталь вводят так называемый раскислители – соединения, содержащие повышенное количество Si, Mn, Al (FeSi, FeMn, и Al). Сталь можно раскислять двумя способами: осаждающим и диффузионным. При осаждающем раскислители содержащие Марганец, Si и Al вводят в жидкий металл. Указанные химические элементы являются более активными к кислороду, чем железо. И поэтому отбирают кислород у железа.

Si + 2FeO → 2Fe + SiO₂

Mn + FeO → Fe + MnO (5) – шлаки

«Al + 3FeO → 3Fe + Al₂O₃

В результате этих реакций восстанавливаются и образуются окислы примесей, имеющем меньшую плотность, чем жидкий металл. Поэтому данные окислы поступают в шлак, где их удаляют. Однако часть окислов может оставаться в жидком металле, что приводит к снижению качества готовой стали. Этого недостатка лишено диффузионное раскисление. При нем FeMn, FeSi и Al вводят только в шлак. При этом концентрация FeO в шлаке снижается и это соединение поступает из металла в шлак, таким образом, осуществляется удаление из металлов кислорода. В зависимости от степени раскисления стали, делят на спокойные, полуспокойные и кипящие. Спокойная сталь получаются при полном раскислении расплава в ковше и печи марганцем, Si и Al. Кипящая сталь раскислена не полностью, только марганцем в печи, поэтому её раскисление продолжается самопроизвольно в ковше. Раскисление происходит за счет взаимодействия FeО с углеродом, находящемся в стали согласно реакции (3). Пузырьки газа СО и создают эффект «кипения»

Полуспокойная сталь имеет промежуточное положение между спокойной и кипящей, она раскислена только марганцем и Si.