Основные стадии выплавки стали

Процесс выплавки стали имеет три основные стадии.

На первой стадии происходит расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла, температура которого ещё невысока. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье на этом этапе происходит интенсивное окисление железа и примесей кремния, марганца и фосфора, сопровождающееся выделением теплоты. Наиболее важной задачей на этой стадии является удаление фосфора, для чего применяется шлак, содержащий негашёную известь СаО, способную хорошо поглощать и удерживать фосфор и серу. По мере поглощения фосфора его содержание в шлаке возрастает и в соответствии с законом распределения Нернста процесс удаления фосфора замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора отработавший шлак удаляют с поверхности ванны и заменяют новым, содержащим свежую негашёную известь. Кроме того, для улучшения удаления фосфора используют и окислительную способность окислов железа, для чего повышают их содержание в ванне путём добавки окалины, а также железной руды.

По мере роста температуры в соответствии с принципом Ле Шателье начинается интенсивное окисление углерода, происходящее с поглощением теплоты. Пузырьки угарного газа (окиси углерода СО) выделяются из жидкого металла, вызывая кипение ванны. Поэтому вторая стадия выплавки стали называется стадией кипения. При кипении уменьшается до требуемого содержание углерода в металле, выравнивается температура по объёму ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам СО, а также газы, приникающие внутрь этих пузырьков. Всё это способствует повышению качества металла, в связи с чем стадия кипения ванны является главной в процессе выплавки стали. Так как углерода в чугуне содержится значительно больше, чем других примесей, то для интенсификации его окисления и удаления в соответствии с законом действующих масс в ванну вводят небольшое количество руды, окалины или вдувают кислород. С повышением температуры на этапе кипения из металла в шлак удаляется и сера, которая образует с известью СаО соединение СаS, растворимое в шлаке, но не растворимое в железе.

Из изложенного видно, что для удаления фосфора и серы необходимо интенсивное применение извести, которое, в зависимости от материала футеровки печи, не всегда является возможным. Например, в печи, футерованной магнезитом (так называемый оснόвный материал, т.е. материал, содержащий оснόвный окисел MgO) можно интенсивно применять известь СаО, также являющуюся оснόвным материалом. Но применение извести в печи, футерованной динасом, являющимся кислым материалом (т.е. материалом, пересыщенным кремнекислотой SiO₂), приведёт к их химическому взаимодействию и разрушению футеровки. Поэтому в сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы, в связи с чем сталь можно выплавлять только из шихты, содержащей малое количество этих элементов. Такая шихта состоит из преобладающего количества стального лома (60–75%, а иногда и более) и меньшего количества чугуна. Наиболее распространены печи с оснόвной футеровкой, позволяющие перерабатывать практически любую шихту, в том числе и с высоким содержанием фосфора и серы.

В процессе плавки повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления вредных примесей, но в готовой стали кислород сам является вредной примесью. Поэтому завершающая третья стадия заключается в раскислении стали, т.е. в удалении из расплавленного металла растворённого в нём кислорода. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным (т.е. со взаимным проникновением частиц соприкасающихся веществ друг в друга).

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь раскислителей, содержащих марганец, кремний или алюминий, которые в данных условиях обладают бόльшим сродством к кислороду, чем железо, и образуют окислы, имеющие меньшую плотность, чем сталь, и поэтому всплывающие в шлак. Однако часть этих окислов всё же может остаться в стали, что ухудшает её качество.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Раскислители, содержащие марганец, кремний или алюминий, в мелкоразмельчённом виде вводят не в сталь, а загружают на поверхность шлака, где они восстанавливают окисел железа. Восстановленное железо, имея большую плотность, переходит в сталь, и его содержание в шлаке уменьшается. Поэтому в соответствии с законом распределения Нернста начинается компенсирующий переход окислов железа из расплавленного металла в шлак. Таким образом, в процессе диффузионного раскисления восстановленное железо из шлака переходит в сталь, а окислы – из стали в шлак, что уменьшает содержание неметаллических включений в стали и повышает её качество.

Легирование стали осуществляют введением в расплавленный металл необходимых легирующих элементов в требуемом количестве. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (никель, кобальт, молибден, медь), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их загружают в печь в любое время плавки (обычно в начале плавки вместе с шихтой). Но легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (кремний, марганец, алюминий, хром, ванадий, титан), вводят в металл после раскисления или в момент его завершения в конце плавки в печи, а иногда и после плавки в ковш при разливке в него из печи выплавленной стали.

Дата добавления: 2014-01-05