Способи виробництва сталі

Сталь –це ковкий сплав заліза з вуглецем та іншими домішками (металами і неметалами). Масова частка Карбону в сталі не перевищує 1,7%.

Сталь виробляють із чавуну і брухту. У процесі переробки чавуну на сталь зменшується вміст Карбону, Силіцію, Фосфору, Сульфуру, Мангану в сплаві. Видалення цих домішок ґрунтується на реакціях їхнього окиснення киснем або оксидами феруму у розплаві.

Отже, процес виплавляння сталі принципово відрізняється від доменного процесу: доменний процес – це процес відновлення, а виплавляння сталі – процес окиснення, мета якого – зменшити вміст Карбону та інших домішок окисненням їх у масі металу. У цьому разі відбуваються складні процеси.

Оксиген, який міститься в руді, і кисень, що надходить з повітрям у піч для спалювання газоподібного палива, окиснюють вуглець і значну кількість заліза:

2С + О₂ = 2СО ↑

2Fe + О₂ = 2FeО

Утворений ферум (ІІ) оксид FeO, а також оксиди феруму, що містяться у брухті, за високої температури взаємодіють із силіцієм, манганом та іншими домішками, що містяться у чавуні:

FeO + С = Fe + CO

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂

FeO + Mn = Fe + MnO

5FeO + 2P = 5Fe + P₂O₅

Утворені оксиди взаємодіють з флюсами, які додають у піч під час виплавляння сталі, і утворюють шлаки. Шлаки легко видаляються з печі. Для видалення феруму (ІІ) оксиду, який ще залишається в сталі, у розплавлену сталь додають розкисники (манган, ванадій, титан), які взаємодіють з надлишковими FeO:

FeO + Mn = Fe + MnO

Утворені оксиди переходять у шлак.

Під час виплавлення сталей до них додають легуючі добавки, використовуючи для цього кобальт, нікель, ванадій, хром, вольфрам, молібден, титан та інші метали. Це дає змогу добувати сталі різного складу, що мають підвищену міцність, корозійну стійкість (неіржавна сталь), підвищену стійкість до спрацювання тощо.

Використовують кілька способів добування сталі: киснево-конвертерний, мартенівський і електротермічний.

За киснево-конвертерним способом кисень продувають крізь розплавлений чавун у спеціальних апаратах – конвертерах. Це високопродуктивний спосіб, що дає змогу добувати сталь високої якості.

Основу конвертерного способу виробництва сталі розробив англійський винахідник Генрі Бессемер у 1856 р. Він запропонував переробляти рідкий чавун (з незначним вмістом фосфору і сірки), продуваючи його повітрям. Використання палива у цьому разі не потрібне. Процес відбувається самочинно за рахунок теплоти екзотермічних реакцій і триває 12–15 хв. Проте через низький вміст кисню у повітрі неможливо було досягти необхідних температури та інтенсивності окисно-відновних процесів. Тому сталь вироблялася низької якості. З розвитком виробництва кисню створились умови для вдосконалення способу Бессемера. У другій половині XX ст. на зміну йому прийшов киснево-конвертерний процес.

За мартенівським способом кисень або повітря пропускають над розплавленим чавуном. При цьому залізо окиснюється у поверхневому шарі. Перевага мартенівського способу полягає в тому, що процес переробки чавуну на сталь можна легко контролювати і добувати сталі різних марок. Однак цей спосіб менш економічний, ніж конвертерний, тому останнім часом виплавляння сталі за цим способом скорочується.

Мартенівський спосіб розробив французький металург П'єр Мартен у 1864 р. Він сконструював піч, у яку завантажуються чавун, брухт і певна кількість руди. У піч вводяться попередньо нагрігі повітря і паливо, під час згоряння якого утворюється факел з температурою до 1900 °С. Метал і руда плавляться, і в розплав вводяться добавки, потрібні для добування сталі заданого складу. Вигоряння домішок відбувається, в основному, за рахунок кисню повітря. Процес плавлення триває 8 –10 год.

За електротермічним способом, що відомий з 1880 p., як сировину здебільшого використовують брухт, до якого додають трохи чавуну. Окиснення вуглецю, фосфору та деяких інших домішок здійснюється також киснем і оксидами феруму, що містяться в брухті. Електропечі (мал. 12) дають змогу досягати вищої температури розплаву, ніж це можливо в інших печах, тому цей спосіб найчастіше застосовують для виплавляння сталей, легованих тугоплавкими металами.

Завдання для самоконтролю

188. Порівняйте сплави чавун і сталь. Що у них спільного і чим вони відрізняються один від одного?

189. Які хімічні процеси лежать в основі добування сталі? Напишіть рівняння відповідних реакцій.

190. Які способи виплавляння сталі ви знаєте? Що найха рактерніше для кожного з них?

191. Масова частка Карбону в сталі становить 0,4%. Якщо спалити зразок такої сталі масою 5 г, то маса утвореного оксиду карбону(І\/) становитиме

(1) 0,07 г; (3) 0,007 г;

* (2) 0,7 г; (4) 7 г.

192. У лабораторії з метою аналізу сплаву заліза на вміст Карбону спалили зразок сплаву масою 5 г. При цьому виділи лося 74,6 мл карбону (IV) оксиду (н. у.). Визначте, який взято сплав – чавун чи сталь, якщо масова частка Карбону у ньому становить

(1) 0,04%; (3)0,8%;

(2) 0,4%; (4) 0,08%.

193. Із 160 т чавуну з масовою часткою Карбону 6% можна добути сталь з масовою часткою Карбону 1,5%, маса якої дорівнюватиме

(1) 53т; (3)153т;

(2) 100 т; (4) 200 т.

Дата добавления: 2014-01-04