Производство стали

Основными материалами для производства стали служат передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне, поэтому сущностью любого металлургического процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перехода в шлак и газы при выплавке.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ, поэтому железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи. Образующийся оксид железа окисляет Si, Р, Mn и С, обладающие большим сродством к кислороду. Для ускорения окисления примесей добавляют железную руду и окалину, содержащие много оксидов железа, или продувают жидкий металл кислородом.

Скорость окисления примесей, зависящая от их концентрации и температуры металла, подчиняется принципу Лe Шателье, в соответствии с которым изменение внешних условий физикохимической равновесной системы вызывает в ней реакции, противодействующие проводимому изменению. Поэтому химические процессы, сопровождающиеся выделением теплоты, протекают с большей скоростью при низких температурах. Реакции с поглощением теплоты проходят интенсивнее при более высоких температурах. При производстве стали в начале плавки с большей скоростью идут процессы окисления Fe, Si, Р, Mn, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивнее окисляется только при высокой температуре металла.

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды — жидкий металл и шлак, которые разделяются из-за различных плотностей. Согласно закону распределения (закон Нернста), если какое-либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы равновесия), постоянного для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности переходят либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно изменять соотношения между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый посредством подачи флюса требуемого состава, можно частично удалить вредные примеси (Р, S) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из способов управления металлургическими процессами.

Используя изложенные выше законы, процесс выплавки углеродистой стали можно представить как совокупность трех этапов.

На первом этапе интенсивно протекает процесс окисления железа и примесей (Si, Р, Mn), который сопровождается выделением теплоты. Наиболее важная задача этого этапа — удаление фосфора, для чего необходимо использовать шлак, содержащий основной оксид CaO.

На втором этапе при высокой температуре в соответствии с принципом Лe Шателье более интенсивно протекает реакция окисления углерода, проходящая с поглощением теплоты. Образующийся на первом этапе оксид железа реагирует с углеродом, и пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» ванны. При этом содержание углерода в металле уменьшается до требуемого количества, а с пузырьками частично удаляются неметаллические включения и растворенные газы.

В этот же период из металла удаляется сера, которая находится в виде сульфида в металле и шлаке: чем больше в шлаке CaO и меньше FeO, тем полнее происходит удаление серы из стали. Плавкой в печах с основной футеровкой можно снизить содержание серы и фосфора при получении стали из шихты любого химического состава.

На третьем этапе происходит раскисление стали, которое заключается в удалении кислорода, растворенного в жидком металле. Сталь раскисляют двумя способами — осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей, содержащих Mn, Si, Al и другие элементы, которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды (MnO, SiO2, Al2O3 и др.), которые в основном удаляются в шлак. Однако часть их остается в стали, что ухудшает ее свойства.

Диффузионное раскисление проводят раскислением шлака. На поверхность шлака загружают ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители, которые, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения FeO, растворенный в стали, переходит в шлак, а восстановленное в шлаке железо переходит в сталь. В результате диффузионного раскисления в стали уменьшается содержание неметаллических включений.

В зависимости от степени раскисленности выплавляются спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Спокойную сталь получают при полном раскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка. Оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению азота и водорода из жидкого металла. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью. Полуспокойная сталь частично раскисляется в печи и ковше, а частично — в изложнице.

Получение легированных сталей предполагает введение в расплав ферросплавов или технически чистых металлов в необходимом количестве. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке практически не окисляются, поэтому обычно их вводят в печь вместе с шихтой в начале плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конверторах и электропечах. В настоящее время мартеновские печи прекращают использовать в металлургии ввиду их низкой производительности.

Выплавка стали в кислородных конверторах (рис. 5.2) с последующей разливкой ее на машинах непрерывного литья заготовок в настоящее время получила наиболее широкое применение.

В кислородных конверторах выплавляют конструкционные спокойные и кипящие стали с различным содержанием углерода.

В этих агрегатах трудно выплавлять стали, в состав которых входят легкоокисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них изготовляют низколегированные стали (содержание легирующих элементов до 2...3 %). Плавка в конверторах вместимостью 130...300 т заканчивается через 25...30 мин.

Плавильные электропечи (рис. 5.3) имеют преимущества по сравнению с другими металлургическими агрегатами, так как в них можно выплавлять металл любого химического состава и получать сталь с образованием минимального количества неметаллических включений. В связи с этим электропечи используют для выплавки высоколегированных конструкционных, инструментальных и специальных сталей и сплавов. Плавильные электропечи бывают дуговыми и индукционными. Применение диффузионного раскисления позволяет получать сплавы с низким содержанием неметаллических включений.