Образующиеся оксиды имеют меньшую плотность по сравнению со сталью и удаляются в шлак. Однако часть их остается в стали, что cнижает ее качество.

Физико-химические процессы получения стали. Основные компоненты

Сталь по сравнению с чугуном содержит меньшее количество углерода, и, как правило, имеет пониженное содержание кремния, марганца, фосфора и серы. Для получения стали из чугуна необходимо снизить содержание этих элементов путем окислительной плавки, проводимой в сталеплавильных агрегатах.

Основными способами производства стали являются: плавка в кислородных конвертерах, плавка в мартеновских и электрических печах.

Для выплавки стали используются следующие исходные материалы: металлошихта (лом), металлодобавки, флюсы и окислители.

Основная масса металлошихты – передельный чугун и стальной лом. В состав металлошихты могут входить также продукты прямого восстановления железа из руд, ферросплавы.

Металлодобавки в виде ферросплавов вводятся в сталь для ее раскисления и легирования.

Флюсами (добавочными материалами) являются: известняк, боксит и плавиковый шпат. Известняк способствует образованию шлака, а боксит и плавиковый шпат делают его жидкоподвижным.

Для окислительных процессов источником кислорода является газовая фаза (кислород, печная атмосфера) или твердые окислители (железная руда, агломерат, окатыши, окалина).

Выбор материала футеровки сталеплавильных агрегатов определяется составом и свойствами шлаков, образующихся в процессе плавки. В соответствии с этим различают кислый и основной сталеплавильные процессы, осуществляемые в основных конвертерах, кислых и основных мартеновских и электродуговых печах.

Рассмотрим для примера основной сталеплавильный процесс.

Железо при взаимодействии с кислородом окисляется по реакции:

Fe + ½O₂ = (FeO) (2.1)

Газы-окислители печной атмосферы, взаимодействуя с металлом, окисляют и другие элементы, растворенные в металле, в частности:

[Si][1] + O₂ = (SiO₂) (2.2)

[Mn] + ½O₂ = (MnO) (2.3)

[C] + ½O₂ = CO (2.4)

Окисление примесей также может происходить растворенным в металле кислородом:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.5)

[Mn] + [O] = (MnO) (2.6)

[C] + [O] = CO (2.7)

Элементы с большим химическим сродством к кислороду, чем железо, окисляются оксидом железа, содержащимся в шлаке:

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe] (2.8)

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] (2.9)

[C] + (FeO) = CO + [Fe] (2.10)

В сталеплавильном агрегате под шлаком (преимущественно FeO и CaO) и при сравнительно невысокой температуре удаляется фосфор (дефосфорация металла):

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄·(P₂O₅) + 5[Fe] (2.11)

Убирая шлак с поверхности металла (скачивание шлака) и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалить значительную часть вредных примесей (серы и фосфора) из металла. Регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.

Когда окисление примесей почти завершено, начинают образовываться оксиды железа. Растворяясь в стали, они повышают содержание в ней кислорода. Кислород ухудшает прочность и, в особенности, пластичность и вязкость стали, что способствует появлению трещин при ее пластическом деформировании. Поэтому обязательной завершающей операцией при выплавке стали является ее раскисление, т. е. уменьшение содержания в ней кислорода до допустимых норм. Для этого раскисление проводят путем ввода в сталь элементов (раскислителей) с большим сродством к кислороду, чем железо. Образующиеся оксиды уходят в шлак. В качестве раскислителей используют кремний (в виде ферросилиция), марганец (ферромарганец), алюминий и щелочноземельные металлы (ЩЗМ).

В сталеплавильных агрегатах применяют осаждающее раскисление по реакциям:

[Si] + 2[O] = (SiO₂) (2.12)

[Mn] + [O] = (MnO) (2.13)

2[Al] + 3[O] = Al₂O₃ (2.14)

Образующиеся оксиды имеют меньшую плотность по сравнению со сталью и удаляются в шлак. Однако часть их остается в стали, что cнижает ее качество.

В агрегатах с окислительной атмосферой (конвертеры, мартеновские печи) иногда используется диффузионное раскисление:

2(FeO) + Si = (SiO₂) +2[Fe] (2.15)

(FeO) + C = CO + [Fe] (2.16)

3(FeO) + 2Al = (Al₂O₃) + 3[Fе] (2.17)

В этом случае раскислители в мелкоизмельченном виде загружают на поверхность шлака. Восстанавливая оксид железа, раскислители уменьшают его содержание в шлаке и способствуют переходу оксида железа, растворенного в стали, в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

Для удаления серы наводят шлак с большим содержанием СаО. К этому времени ванна с металлом доводится до высокой температуры. Сера в виде сульфидов удаляется в шлак:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (2.18)