Сущность процесса производства стали

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 5).

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, % Таблица 5

Материал		С	Si		Мп	Р	S
Передельный чугун	4.	…..4,4	0,56.	…. 1,26	До 1,75	0,10... 0,3	0,03...0,07
Сталь низкоуглеродистая	0,12	......0,25	0,12.	……0,3	0,3... 0,9	0,05	0,050

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является сниже­ние содержания углерода и примесей пу­тем их избирательного окисления и пере­вода в шлак и газы в процессе плавки.

Основными материалами для произ­водства стали являются передельный чу­гун и стальной лом (скрап).

В процессе плавки стали происходит взаимодействие между металлической [ ], шлаковой () и газовой фазами и футеровкой плавильного агрегата (основной или кислой), 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, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действую­щих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реаги­рующих веществ. Поскольку в наиболь­шем количестве в чугуне содержится же­лезо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

Fe + 1/2О₂ = FeO + Q кДж. (1)

Одновременно с железом окисляются Si, P, С, Мп и др.

Образующийся оксид железа при вы­соких температурах отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + Q, кДж; (2)

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + Q₂ кДж; (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q₃ кДж; (4)

FeO + С = CO + Fe - Q₄ кДж. (5)

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 оксида железа.

После расплавления шихты в стале­плавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак.

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.

Используя изложенные законы, 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 им примесей Si, P, Мп по реакциям (1) - (4). Фосфор удаляется благодаря присутствию шлаков с большим содержанием СаО и FeO, интенсивному перемещению металла и шлака при сравнительно невысоких температурах. Принято компонент, находящийся в растворе металла, обозначать в прямых скоб­ках [Р], а находящийся в растворе шлака - в круглых скобках (СаО).

2[Р] + 5(FeO) + 4(CaO) ß>(4CaOP₂O₅)+5[Fe]. (6)

Второй этап - "кипение" металличе­ской ванны - начинается по мере ее про­грева до более высоких, чем на первом этапе, температур.

Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая "кипение" ванны (рис.32). При "кипении" уменьшается со­держание углерода в металле до требуемо­го, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметалличе­ские включения, прилипающие к всплы­вающим пузырькам СО, а также газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества метал­ла. Поэтому этап "кипения" ванны являет­ся основным в процессе выплавки стали.

Рис. 32. Схема удаления газов из жидкого металла в процессе кипения

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в ста­ли находится в виде сульфида [FeS], кото­рый растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем боль­шее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке, взаимодействует с оксидом каль­ция, также растворенным в шлаке: (FeS) + (СаО) = (CaS) + (FeO). (7)

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и (СаО) в шлаке: [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO). (8)

Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

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

Легирование стали осуществляют вве­дением ферросплавов или чистых метал­лов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы (Ni, Co, Мо, Си), сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа, при плавке и разливке прак­тически не окисляются, и поэтому их вво­дят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). 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.

Дата добавления: 2014-01-05