Этапы выплавки стали

По времени процесс выплавки стали можно разбить на три этапа.

1 этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Температуры на этом этапе относительно невысокие и поэтому наиболее интенсивно протекают реакции (2.1) и (2.2). Если в печи проводится основной процесс, т.е. в печи наводится основной шлак, содержащий CaO, то главной задачей этого этапа является удаление из расплавленного металла фосфора. Удаление фосфора происходит следующим образом:

2Р + 5FeO + 4CaO → (CaO)₄ P₂O₅ + 5Fe (2.4)

Эта реакция экзотермическая, следовательно, для её протекания нужна относительно невысокая температура. Кроме того, для протекания реакции (2.4) необходимо наличие в шлаке CaO и FeO, которые добавляют в этот период плавки в шлак с помощью флюса, либо железной окалины, либо руды. Реакция протекает на границе шлака с металлом. Соединение фосфора (CaO)₄ P₂O₅ растворяется в шлаке. Насыщенный фосфором шлак необходимо постоянно удалять и наводить новый шлак, чтобы реакция не пошла в обратном направлении, т.е. чтобы фосфор вновь не вернулся в металл.

2 этап – «кипение» металлической ванны. Этот этап начинается по мере нагрева металла до более высоких температур. На данном этапе более интенсивно протекает эндотермическая реакция окисления углерода (2.3). С целью интенсификации этого процесса в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. В результате окисления углерода из жидкого металла интенсивно выделяется газ CO₂ в виде множества пузырьков, которые и создают эффект кипения. В процессе «кипения» из металла удаляются неметаллические включения, которые «прилипают» к пузырькам. Такое явление называется флотацией. Кроме того, из металла интенсивно удаляются газы, что ведёт к повышению качества стали.

Если процесс основной, то на втором этапе создаются благоприятные условия для удаления из жидкого металла серы. Сера находиться в расплаве в виде соединения FeS, которое растворятся в шлаке и тем больше, чем выше температура расплава. Удаление серы происходит по схеме:

FeS + CaO → FeO + CaS (2.5)

Соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворимо в металле. Таким образом, удаётся удалить серу в шлак.

3 этап – раскисление стали. Кислород в жидкой стали в виде соединения FeO в процессе плавки нужен для интенсивного окисления примесей. Однако, в готовой стали наличие такого кислорода нежелательно, т.к. FeO существенно ухудшает свойства готовой стали. Поэтому на заключительном этапе выплавки стали из неё удаляют нежелательный кислород, т.е. сталь раскисляют.

Раскисляют сталь двумя способами: либо осаждающим, либо диффузионным. Осаждающие раскисление осуществляется путём подачи в жидкий расплав раскислителей – т.е. ферросплавов с повышенным содержанием Mn, Si, Al. Эти элементы обладают большей активностью к кислороду, чем Fe, и поэтому отбирают его у железа:

FeO + Mn → Fe + MnO↑

FeO + Si → Fe + SiO₂↑ (2.6)

FeO + Al → Fe + Al₂O₃↑

В результате железо восстанавливается и образуются оксиды, которые имеют меньшую плотность, чем жидкая сталь, и поэтому поднимаются в шлак.

При осаждающем раскислении часть окислов может остаться в расплаве, что ухудшает свойства готовой стали. Этого недостатка лишено диффузионное раскисление, при котором ферросплавы подаются в шлак. В результате образовавшиеся окислы остаются в шлаке. Раскисление шлака приводит к уменьшению содержания в нём FeO. Поэтому оксид железа из жидкого расплава поступает (диффундирует) в шлак. Таким образом, из металла удаляется избыточный кислород и получается более качественная сталь.

В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, полуспокойные и «кипящие». Спокойная сталь получается при полном раскислении расплава ферросплавами в печи. Кипящая сталь раскислена в печи лишь частично (только марганцем). Поэтому процесс её раскисления продолжается в ковше или изложнице. Раскисление происходит благодаря взаимодействию FeO c углеродом. В результате Fe восстанавливается и образуются пузырьки газа CO₂, которые при бурном выделении создают эффект кипения. Пузырьки газа увлекают за собой вредные примеси и газы, и тем самым очищают сталь. Затвердевшей слиток «кипящей» стали содержит мелкие пузырьки, которые схлопываются при прокатке и ковке. Полуспокойная сталь раскислена не полностью. Она занимает промежуточное положение между спокойной и «кипящей» сталью.

Дата добавления: 2014-01-20