Физико-химические процессы, протекающие при получении стали из передельного чугуна

В основе получения стали из передельного чугуна лежат процессы окисления Fe, Mn, Si, C и вредных компонентов S, P.

В общем случае протекание реакций в сталеплавильной ванне может быть представлено в следующей последовательности:

а) подвод реагента к месту реакции;

б) акт химической реакции;

с) выделение продуктов реакции в отдельную фазу и их удаления.

Физико-химические процессы, протекающие при получении стали тремя способами, несмотря на некоторые отличия в кинетике протекания химических реакций имеют общую закономерность. По этой причине рассмотрим кинетику протекания химических реакций при получении стали на примере кислородного конвертора. Кинетика протекания физико-химических реакций в кислородном конверторе (время отсчитывается с момента начала продувки) можно разбить на 3 этапа.

На первом этапе происходит интенсивное окисление Fe, Si, Mn и образование металлургического шлака:

Переход закиси железа из шлака в жидкий металл

2Fe + O₂ = 2(FeO) ; (FeO) = Fe + [O]

[Si] + O₂ = (SiO₂)

[Mn] + O₂ = 2MnO

2[O] + Si = (SiO₂)

[O] + [Mn] = (MnO)

На втором этапе происходит окисление углерода:

2[C]+ O₂ = 2CO

Fe + [O] + [C ]= Fe + CO

Происходит бурное кипение металла из-за выделения СО. На протяжении двух этапов происходит окисление вредных примесей S и Р и их ошлаковывание:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)

[FeS] + [Mn] = (MnS) + Fe

Для удаления серы из металла необходимо: наличие основных шлаков; низкая окисленность шлаков (минимум (FeO)); низкая концентрация серы в шлаке (удаление и наведение нового шлака); перемешивание металла со шлаком и увеличение поверхности контакта металл - шлак; повышение температуры металла.

Удаление фосфора из стали

Фосфор в железе растворяется в значительных количествах. В шихту сталеплавильных печей фосфор попадает в основном из чугуна, некоторое количество попадает в шихту из лома, а также ферросплавов. При взаимодействии металла со шлаком, содержащим окислы, протекают следующие реакции:

2[P] + 4(CaO) +5(FeO) = P₂O₅ (CaO)₄ + 5Fe

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄P₂O₅ + 5Fe

Для более полного удаления фосфора из металла необходимы: окисленная среда, с высокой активности окислов железа в шлаке; высокая основность шлака; наличие шлаков, содержащих мало фосфора (удаление и наведение нового шлака); невысокая температуры.

Присадка железной руды в металлургическую ванну способствует более полному удалению фосфора, так как снижается температура ванны металла. На третьем этапе начинается доводка плавки после достижения заданного содержания углерода. Она заключается в присадке в ванну раскислителей и легирующих, т.е. в доведении химического состава стали по всем требуемым компонентам. Для прекращения кипения или его замедления производят предварительное раскисление стали ферромарганцем или низкопроцентным ферросилицием. Присадки этих элементов позволяют зафиксировать достигнутое содержание углерода, не допуская его дальнейшего снижения.

[O]+ [Mn] = (MnO)

2[O] + [Si] = (SiO₂)

3[O] + 2[Al] = (Al₂O₃)

Окончательное раскисление производят присадками ферромарганца, 45% ферросилиция и алюминия в ковше, с таким расчетом, чтобы получить заданное содержание этих элементов в готовой стали. Следует отметить, что угар раскислителей, присаженных в ковш, позволяет уменьшить расход ферросплавов.