Этапы производства стали

Лекция № 6

Стали – железоуглерожистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твердость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения (теоретически до 2,14%). В настоящее время сталь является основным видом конструкционного металла, применяемым для создания современной техники. Это объясняется тем, что сталь обладает высокими прочностью и износостойкостью, хорошо сохраняет приданную форму в изделиях, сравнительно легко поддается различным видам обработки. Этими механическими и технологическими свойствами обладают немногие конструкционные материалы. Кроме того, основной компонент стали железо является широко распространенным элементом в земной коре.

Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне. Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической, шлаковой и газовой фазами, а также футеровкой плавильного агрегата, различными по агрегатному состоянию и химическому составу. В результате этого взаимодействия осуществляется переход химических элементов из одной фазы в другую. Обменные процессы сопровождаются химическими превращениями, главным образом на границе металлической фазы со шлаком. Металлическая фаза состоит из расплава химических элементов, шлаковая –из расплава оксидов и их соединений. Поэтому переход элемента из одной фазы в другую возможен только при протекании химической реакции образования или восстановления оксида. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в плавильном агрегате создают определенные условия. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

Одновременно с железом окисляются Si, Р, С, Мn и др. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную ванну добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода содержащегося в оксиде железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температуре металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Шлак представляет собой сплав оксидов с незначительным содержанием сульфидов. Образование шлака связано с окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием различных оксидов с меньшей плотностью, чем металл, и собирающихся на его поверхности. В соответствии с законом определения (закон Нернста), если какое либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константанты распределения), постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Мn, Si, Р, S) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять соотношение 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 путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическими процессами.

Процессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходят окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей Si, Р, Мn. Наиболее важная задача этого процесса - удаление фосфора. Для углубленного процесса удаления фосфора необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основный шлак, содержащий СаО. Такой шлак должен обладать высокой основностью, т.е. способностью поглощать из металла и удерживать фосфор и серу.

Основность шлака регулируется в соответствии с температурой, и в конце мартеновской плавки она составляет В =2,7...3 и в кислородно-конвертерном процессе В =3...4. Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (РеО)₃ • Р₂О₅. Оксид кальция - более сильный основный оксид, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид Р₂О₃, переводя его в шлак:

Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением теплоты, поэтому для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. Для удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке FеО, т.е. шлак должен обладать высокой окислительной способностью - передавать кислород металлу, находящемуся с ним в контакте. Окислительная способность шлака определяется активностью содержащихся в нем оксидов железа. Шлаки с высоким содержанием оксидов передают кислород металлу, а с низким способны извлекать его. Для повышения содержания FеО в шлаке в сталеплавильную ванну в этот период плавки добавляют окалину, железную руду, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в нем возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фосфора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый с добавками СаО.

Второй этап - кипение металлической ванны - начинается по мере ее нагрева до более высоких (чем на первом этапе) температур. Более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Для его окисления в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом, а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны».

При «кипении» уменьшается содержание углерода до требуемого, выравнивается температура, частично удаляются неметаллические включения. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап кипения ванны является главным в процессе выплавки. В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида железа, который растворяется в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом в стали и оксидом в шлаке.

Образующееся соединение растворимо в шлаке, но не растворяется в железе поэтому сера удаляется в шлак. Чем больше в шлаке оксида кальция и оксида железа, тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому при плавке в основных печах можно занижать содержание углерода и серы, а также выплавлять сталь из шихты с повышенным содержанием серы. В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы. Поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с низким содержанием серы и фосфора.

Третий этап - завершающий (раскисление стали) заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышенное содержание кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждением и диффузией. Осаждающее раскисление осуществляют введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате восстанавливается железо и образуются соответствующие оксиды, которые имеют меньшую плотность, чем сталь и удаляются в шлак. Однако их часть может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляют насыщением шлака ферро раскислителями (на поверхность шлака). Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Растворенный в стали оксид железа, начнет переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

При выплавке в кислой печи процесс плавки протекает при кислом шлаке поэтому количество оксидов железа и марганца в шлаке уменьшается в результате восстановления этих оксидов.

Активность оксида железа в кислых шлаках значительно ниже, чем в основных, и окислительное действие их слабее, т.е. создаются благоприятные условия для раскисления стали, а именно: кремнезем, обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FеО в соединение типа FеО • SiO₂. После длительной выдержки под кислым шлаком содержание оксида железа в стали резко уменьшается, и окончательно сталь раскисляют небольшой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка благодаря взаимодействию FеО и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из нее газовых примесей (азота и водорода). Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений и продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью. Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Завершающий этап получения стали – лигирование. Этот этап не является обязательным и применим только для легированных сталей. Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы (Ni, Со, Мо, Сu), сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа, при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их можно вводить в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой в самом начале расплавления). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Мn, Аl, Сг, V, Тi и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредственно в ковш.

Схема современных технологических процессов производства стали

ЭШП - электрошлаковый переплав; ВДП - вакуумно-дуговой переплав;

ЭЛП - электронно­лучевые печи; ПДП - плазменно-дуговые печи

Дата добавления: 2014-01-20