2. Производство стали

Производство стали это процесс снижение содержания углерода и примесей в жидком чугуне до значений, определяемых маркой стали, окисление их газообразным кислородом с последующим переводом в газы и шлак; связывание примесей - серы и фосфора в соединения, способные переходить в шлак.

Углерод соединяется с кислородом, образуя СО, который удаляется с газом. Si, Mn, S и Р образуют окислы или другие соединения, частично удаляемые в шлак. На определенном этапе, по мере снижения содержания примесей начинает окисляться Fe. Окислы Fe, насыщая металл кислородом, делают сталь непригодной для обработки давлением – ковки, прокатки и т.п., в ней образуются трещины при деформации в нагретом состоянии. Для уменьшения содержания кислорода сталь в процессе ее плавки раскисляют ферросплавами, которые обладают большим, чем у Fe, сродством к кислороду. Образующиеся окислы удаляются со шлаком.

Рис. 2.7. Схема кислородного конвертера

Чугун переделывают в сталь в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Выплавка стали в конвертерах наиболее производительна. Возможность быстро и точно регулировать температуру, создавать нужную атмосферу или вакуум делают плавку в электропечах наилучшим (а иногда и единственным) способом получения сталей со специальными свойствами.

Кислородный конвертер (рис. 2.7) представляет собой сосуд грушевидной формы емкостью 130...350т жидкого чугуна, изготовленный из стального листа и выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Конвертер установлен на цапфах с возможностью поворота на 360 для завалки скрапа (стальной лом, известь, железная руда, плавиковый шпат), заливки чугуна 1200...1400C, слива стали, шлака и т.п.

После выпуска очередной плавки, загрузки скрапом и заливки чугуна конвертер поворачивают и устанавливают в вертикальное положение и внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму, через которую подают под большим давлением кислород.

Струи кислорода проникают в металл, вызывая его циркуляцию и перемешивание со шлаком. Происходит интенсивное окисление примесей чугуна:

Si+2O=SiO₂; Mn+O=MnO; C+O=CO.

Часть примесей окисляется окислами железа, содержащимися в шлаке

Si+2FeO=SiO₂+Fe, Mn+FeO=MnO+Fe,

C+FeO=CO+Fe.

Благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO из металла удаляется фосфор и сера:

2P+5FeO+4CaO=(CaO)₄P₂O₅+Fe,

FeS+CaO=CaS+FeO.

В процессе плавки (подачи О₂) автоматически контролируют химический состав металла, и когда содержание углерода соответствует заданному, подачу кислорода заканчивают, фурму выводят из конвертера, сталь раскисляют, конвертер поворачивают и производят выпуск металла в ковш, затем, через верхнее отверстие сливают шлак. Раскисление стали может проходить и после разливки стали.

Для раскисления используют ферросплавы - ферросилиций, ферромарганец, а также алюминий.

Из разливочного ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы установок непрерывной разливки стали, где она затвердевает и получаются слитки, которые затем подвергают обработке давлением - прокатке или ковке.

Изложницы представляют собой чугунные формы, конфигурация которых (сечение) определяется назначением слитка: для получения сортового проката (швелеров, уголков) используют слитки квадратного сечения, листа - прямоугольного с отношением сторон 13 и т.д.

Кристаллизация стали в слитке сопровождается рядом особенностей, приводящих к дефектам [2]. Начинается затвердевание стали у стенок изложницы, которые наиболее интенсивно отбирают у залитой стали теплоту. Толщина закристаллизовавшейся корочки непрерывно увеличивается, и заканчивается кристаллизация в объемах, близких к продольной оси слитка. Сталь затвердевает в виде кристаллов древовидной формы - дендритов, размеры и форма которых зависят от условий кристаллизации.

К дефектам слитков относятся возможные усадочные раковины в верхней части слитка, скопление мелких усадочных пустот в осевой зоне, “заворот корки” - образование на поверхности зеркала металла пленки окислов и шлаковых включений, которые потоком металла заносятся при разливке в его объем.

Для улучшения качества стали разработаны новые технологические процессы: плавка в вакуумных печах, электрошлаковый переплав, ваккуумно - дуговой переплав и т.п., сведения о которых приведены в рекомендованной литературе [2,3].