1.6. Основные физико-химические процессы при производстве

1.6. 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. 1.6.1).
Практически в сталях содержится углерода до 1,5%.
Таблица 1.6.1. Химический состав переделного чугуна и низкоуглеродистой стали,
%
Материал
Передельный чугун
С
4–4,4
Сталь низкоуглеродистая
0,14–
0,22
Si
0,76–
1,26
0,12–0,3
Mn
до 1,75
Р
0,15–0,3
0,4–0,65
0,05
S
0,03–
0,07
0,055
Сущность процесса выплавки стали – проведение окислительной плавки (передельного чугуна и стального лома) с целью удаления избытка углерода и постоянных
примесей.
Углерод и примеси окисляются и переводятся в шлак или газообразные продукты
химических реакций. Шлак удаляется с поверхности жидкой ванны, а газы улетучиваются.
В современной металлургии наиболее совершенными являются следующие способы выплавки стали:
1) В кислородном конверторе;
2) В дуговых электрических печах;
3) В индукционных электрических печах.
Независимо от способа выплавки, процесс выплавки состоит из следующих 4 периодов:
1 период – расплавление шихты и нагрев жидкой металлической ванны. Этот период состоит из следующих стадий:
а) стадия подъема температуры (температура ванны еще невысокая). Происходит
окисление компонентов сплава за счет кислорода воздуха
Fe + O2  FeO;
Mn + O2  MnO;
Si + O2  SiO2;
P + O2  P2O5.
б) после значительного повышения температуры с помощью оксида железа FeO
происходит окисление примесей: Mn, Si
FeO + Mn  Fe + MnO;
FeO + Si  Fe + SiO2.
С целью ускорения процесса окисления примесей в этот период в ванну добавляют
железную руду или железную окалину.
в) одновременно по мере прогрева металла происходит очень важный процесс –
дефосфорация металла (уменьшение содержания вредной примеси – фосфора P):
Р + FeO +СаO  (СаO)4 . Р2О5 +Fe
Полученный слой шлака счищают с зеркала ванны и добавляют свежие порции известняка СаСО3.
2 период – кипение металлической ванны. Этот процесс происходит при достижении высоких температур ванны. Кипение заключается в выделении пузырьков СО (окиси
углерода) при химической реакции:
С + FeO  Fe + СО
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 (окислов типа
MnO, SiO2 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):
FeS + CaO  FeO + CaS (в шлак).
Соль СаS в жидкой ванне не растворяется, поэтому она всплывает и переходит в
шлак.
3 период – раскисление стали (восстановление окисла железа FeО, растворенного в
жидкой стали). Раскисление производится при помощи химических элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо
FeО + Mn  Fe + MnO
FeО + Si  Fe + SiO2
FeО + Al  Fe + Al2O3
(оксиды MnO, SiO2, Al2O3 всплывают в шлак).
4 период – легирование (ввод легирующих элементов). Легирующие элементы,
сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu) – 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.