33. Производство стали. Мартеновский процесс, кислородно-конверторный процесс и выплавка стали в электропечах. Схема процессов.

Сталь получают путем передела белого чугуна с добавлением скрапа, представляющего собой металлические отходы, и железной руды. Сущность различных процессов одинакова и заключается в уменьшении (путем окисления) содержания углерода, кремния и марганца в сплаве до определенных величин, а также возможно более полном удалении вредных примесей – серы и фосфора. Все эти элементы (кроме серы, присутствующей в виде FeS) превращаются в оксиды, которые удаляются в виде газа или после взаимодействия с флюсами – в виде шлака. В качестве окислителей используют кислород и оксиды железа.

Мартеновский способ. Чугун в шихте используют как в твердом, так и в жидком состоянии. Последнее более выгодно, так как ускоряют плавку и уменьшает расход топлива. Наиболее распространенной разновидностью мартеновского процесса является скрап – рудный процесс, при котором в состав шихты, кроме чугуна, вводят скрап, содержащий оксиды железа в виде ржавчины и окалины, а также железную руду – окислители. В качестве флюсов применяют известняк или известь, а для разжижения шлака часто вводят боксит и плавиковый шпат.

После окончания плавки ив сильно нагретую печь загружают твердую часть шихты и жидкий чугун. При действии кислорода воздуха начинается быстрое окисление железа. Железо окисляется до оксида железа (11):

2Fe + O₂ = 2FeO + Q

Содержащиеся в шихте высшие оксиды железа восстанавливаются железом с образованием FeO: Fe₂O₃ + Fe = 3FeO

Оксид железа (11) хорошо растворяется в чугуне; вследствие большего, чем у железа, сродства других элементов к кислороду они восстанавливают оксид FeO:

Si + 2FeO = SiO₂ + 2Fe + Q

Mn + FeO = MnO + Fe + Q

2P + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe + Q

Частично эти элементы окисляются и непосредственно кислородом. Образующиеся оксиды (SiO₂, P₂O₅), взаимодействуя с флюсами, превращаются в шлак (в него переходят также MnO, FeO, Fe₂O₃), который, как более легкий, всплывает наверх. Флюсы освобождают также частично металл от серы:

CaO + FeS ↔ FeO + CaS

Шлак изолирует металл от непосредственного действия кислорода, содержащегося в продуктах горения топлива. Однако содержащийся в шлаке оксид FeO окисляется на верхней поверхности шлака кислородом в оксид Fe₂O₃, который диффундирует через шлак и на нижней поверхности его восстанавливается в оксид FeO, переходящий в металл. Здесь он расходуется на окисление, но частично вновь диффундирует через шлак на его верхнюю поверхность, где окисляется, и т.д. оксиды железа после образования шлак служат переносчиками кислорода от газа к металлу, но процесс окисления замедляется. Вследствие нагревания пламенем температура металла повышается до ~1600°C, и тогда начинает интенсивно протекать эндотермическая реакция окисления углерода:

FeO + C = Fe + CO – Q

После достижения установленного содержания углерода удаляют шлак и вводят в сталь раскислители для восстановления растворенного в стали оксида железа (11):

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂

Кислородно-конверторный способ производства стали

При котором чугун в конверторе с футеровкой из доломитового продувается сильной струей кислорода, который попадают в металл сверху из охлаждаемой водой фурмы, опускаемой в горловину конвертора. Так как азот в газе отсутствует, то не происходит ухудшения качества стали, окисление протекает более интенсивно и уменьшается потеря теплоты с выходящим из горловины газом (газ направляется в котел-утилизатор). Это дает возможность вводить в шихту скрап, железную руду и флюсы (СаО) и применять чугуны различного состава. При кислородно-конверторном способе передела чугуна протекает в основном те же реакции, что и при мартеновском способе: происходит окисление кремния, марганца, фосфора, углерода. Благодаря интенсивному перемешиванию обеспечивается хорошее соприкосновение шлака с металлом, что и повышает скорость процесса. Чаще всего для выплавки стали применяют электрические дуговые трехфазные печи, работающие на переменном токе. Между электродами и металлической шихтой или жидким металлом возникают электрические дуги с температурой в дуге более 4000°C, что позволяет получать в электропечи более высокую температуру (до 2000°C и выше), чем в мартеновской печи. Это дает возможность увеличить количество флюсов для более полного удаления фосфора и серы с образованием тугоплавкого шлака и получения высококачественной углеродистой стали, а также выплавлять тугоплавкие ферросплавы и легированные стали. Так как в печь не подают воздух для горения топлива, то атмосфера в ней не окислительная; это снижает содержание оксида FeO в стали и следовательно, расход раскислителей, а также угар легирующих элементов для интенсификации плавки применяют кислород.