Основные физико-химические процессы при производстве стали

Стали — это железоуглеродистые сплавы, содержащие теоретически до 2,14% С. Кроме того, сталь содержит постоянные примеси: Mn, Si, S, Р.

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 1).

Практически в сталях содержится до 1,5% углерода.

Сущность процесса выплавки стали — проведение окислительной плавки (из передельного чугуна и стального лома) с целью удаления избытка углерода и постоянных примесей [1, 2, 4, 5]. Углерод и примеси окисляются и переводятся в шлак или газообразные продукты химических реакций. Шлак удаляется с поверхности жидкой ванны, а газы улетучиваются.

Таблица 1.1

Химический состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %.

В современной металлургии наиболее совершенными являются следующие способы выплавки стали: в кислородном конверторе; в дуговых электрических печах; в индукционных электрических печах.

Независимо от способа выплавки, процесс выплавки состоит из следующих периодов:

• 1- й период — расплавление шихты и нагрев жидкой металлической ванны. Этот период состоит из следующих стадий:
  • а) подъема температуры (температура ванны еще невысокая). Происходит окисление компонентов сплава за счет кислорода воздуха

б) окисления примесей (Mn, Si) с помощью оксида железа FeO:

С целью ускорения процесса окисления примесей в этот период в ванну добавляют железную руду или железную окалину;

в) дефосфорации металла (уменьшение содержания вредной примеси — фосфора Р):

Полученный слой шлака счищают с зеркала ванны и добавляют свежие порции известняка СаС0₃.

2- й период — кипение металлической ванны. Этот процесс происходит при достижении высоких температур ванны. Кипение заключается в выделении пузырьков СО (оксида углерода) при химической реакции:

Во время этого периода происходят следующие процессы:

• а) уменьшается содержание углерода;
• б) выравнивается температура и химический состав ванны по всему объему;
• в) явление «барботажа» — очистка ванны. Пузырьки СО, всплывающие вверх, захватывают пузырьки других газов и частицы неметаллических включений (оксидов типа MnO, Si0₂ и др.) и выносят их из жидкого металла (газы — в атмосферу, включения — в шлак). За счет этого сталь становится чистой (без кипения она осталась бы очень «грязной»);
• г) реакция десульфурации (удаления вредной примеси — серы S):

Соль CaS в жидкой ванне не растворяется, поэтому она всплывает и переходит в шлак.

3-й период — раскисление стали (восстановление оксида железа FeO, растворенного в жидкой стали). Раскисление производится при помощи химических элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо:

• (оксиды MnO, Si0₂, А1₂0₃ всплывают в шлак).
• 4 период — легирование (ввод легирующих элементов). Легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (Ni, Со, Мо, Си), при плавке практически не окисляются, поэтому их можно ввести в процесс в любой момент плавки (даже с шихтой).

Те легирующие элементы, у которых химическое сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), можно вводить в конце процесса плавки или в разливочный ковш.