Сущность и физико-химические законы выплавки стали

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап), т.е. металлические отходы, поступающие в переплавку для изготовления годного металла. Так как содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне, то сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение их содержания до требуемого уровня путём избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Важной целью металлургического передела является и введение легирующих элементов, которые требуются для конкретной марки производимой стали.

Обеспечение нужного химического состава стали достигается регулировкой физико-химического взаимодействия расплавленного металла, называемого металлической ванной, со шлаком, газовой средой и футеровкой печи. Регулировка осуществляется изменением состава и количества флюса и шлака, а также газовой среды (количество газовой среды можно уменьшать вакуумированием, т.е. отсасыванием газа с получением давления ниже атмосферного), подачей кислорода в ванну, добавкой специальных раскислителей (типа марганца, кремния и алюминия) и управлением температурным режимом плавки.

В процессе плавки, преимущественно на границе металлической ванны со шлаком, происходят обменные процессы, сопровождающиеся химическими превращениями. Металлическая ванна состоит из расплава химических элементов, а шлак – из расплава окислов и их соединений, в связи с чем при переходе вещества из одной среды в другую происходит либо образование, либо восстановление окисла. Так как примеси по своим физико-химическим свойствам различны, то для их удаления в процессе плавки создают определённые условия, руководствуясь соответствующими законами физической химии, которые в данном случае выступают в роли основных металлургических законов.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то в первую очередь оно и окисляется при взаимодействии чугуна с кислородом в печи. Образующийся окисел железа окисляет кремний, фосфор, марганец и углерод, обладающие бόльшим сродством с кислородом (химическое сродство – это способность веществ входить друг с другом в химическое соединение). По закону действующих масс, чем больше железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Поэтому для ускорения окисления примесей в металлическую ванну добавляют железную руду, а также окалину, содержащие много окислов железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, согласно которому изменение внешних условий (температуры, давления), в которых находится физико-химическая равновесная система, вызывает в ней реакции, противодействующие производимому изменению. Так, понижение температуры интенсифицирует химические реакции, идущие с выделением теплоты, а повышение температуры, наоборот, ускоряет реакции, идущие с поглощением теплоты. Поэтому в начале плавки, когда температура чугуна ещё не высока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, марганца и фосфора, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется с поглощением теплоты только при высокой температуре в середине и конце плавки.

После расплавления шихты в печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак, который в силу малой плотности скапливается на его поверхности. В соответствии с законом распределения Нернста вещество, растворяющееся в двух соприкасающихся несмешивающихся жидкостях, распределяется между ними до установления определённого для данной температуры соотношения (константы распределения). Поэтому большинство примесей, образованных кремнием, марганцем, фосфором, и серой, растворимые как в жидком металле, так и в шлаке, будут распределяться между ними в определённом соотношении, соответствующем данной температуре. Допустим, при данной температуре предельное распределение содержавшегося в исходном чугуне фосфора между расплавленным металлом и шлаком имеет пропорцию 1:3 (т.е. 25% и 75% соответственно). По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание в нём фосфора будет возрастать. При этом удаление фосфора из металла будет замедляться и при поступлении в шлак 75% прекратится вовсе в соответствии с законом распределения Нернста. Следовательно, в металле останутся неудалёнными 25% вредного фосфора. Для дальнейшего снижения его содержания в соответствии с законом распределения можно пойти двумя путями. Во-первых, изменить температуру на ту, при которой возможное соотношение станет больше, скажем, 1:5 (17% и 83%). Тогда переход фосфора в шлак продолжится, но большого эффекта мы не получим, поскольку в металле всё равно останутся 17% фосфора. Кроме того, изменение температуры может быть и крайне нежелательным, поскольку, скажем, для лучшего удаления фосфора требуется снизить температуру, что резко ухудшит удаление в шлак ещё более вредной серы, наоборот, требующей для лучшего удаления повышения температуры. Поэтому на практике идут другим путём: не изменяя специально температуры, убирают насыщенный шлак с поверхности металла и путём подачи флюса создают новый. В этом случае оставшиеся в металле 25% фосфора снова распределятся между ним и свежим шлаком в пропорции 1:3, в результате чего в металле останется всего 6% первоначального содержания фосфора (заодно при этом будут лучше удаляться и другие вредные примеси). Если обновить шлак ещё раз, то мы получим уже 1,5% и т.д.

Дата добавления: 2014-01-05