1.6. Основные физико-химические процессы при производстве стали Стали – это железоуглеродистые сплавы, содержащие теоретически до 2,14 % С. Кроме того, сталь содержит постоянные примеси: Mn, Si, S, Р. Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 1.6.1). Практически в сталях содержится углерода до 1,5%. Таблица 1.6.1. Химический состав переделного чугуна и низкоуглеродистой стали, % Материал Передельный чугун С 4–4,4 Сталь низкоуглеродистая 0,14– 0,22 Si 0,76– 1,26 0,12–0,3 Mn до 1,75 Р 0,15–0,3 0,4–0,65 0,05 S 0,03– 0,07 0,055 Сущность процесса выплавки стали – проведение окислительной плавки (передельного чугуна и стального лома) с целью удаления избытка углерода и постоянных примесей. Углерод и примеси окисляются и переводятся в шлак или газообразные продукты химических реакций. Шлак удаляется с поверхности жидкой ванны, а газы улетучиваются. В современной металлургии наиболее совершенными являются следующие способы выплавки стали: 1) В кислородном конверторе; 2) В дуговых электрических печах; 3) В индукционных электрических печах. Независимо от способа выплавки, процесс выплавки состоит из следующих 4 периодов: 1 период – расплавление шихты и нагрев жидкой металлической ванны. Этот период состоит из следующих стадий: а) стадия подъема температуры (температура ванны еще невысокая). Происходит окисление компонентов сплава за счет кислорода воздуха Fe + O2 FeO; Mn + O2 MnO; Si + O2 SiO2; P + O2 P2O5. б) после значительного повышения температуры с помощью оксида железа FeO происходит окисление примесей: Mn, Si FeO + Mn Fe + MnO; FeO + Si Fe + SiO2. С целью ускорения процесса окисления примесей в этот период в ванну добавляют железную руду или железную окалину. в) одновременно по мере прогрева металла происходит очень важный процесс – дефосфорация металла (уменьшение содержания вредной примеси – фосфора P): Р + FeO +СаO (СаO)4 . Р2О5 +Fe Полученный слой шлака счищают с зеркала ванны и добавляют свежие порции известняка СаСО3. 2 период – кипение металлической ванны. Этот процесс происходит при достижении высоких температур ванны. Кипение заключается в выделении пузырьков СО (окиси углерода) при химической реакции: С + FeO Fe + СО Во время этого периода происходят следующие процессы: а) уменьшается содержание углерода; б) выравнивается температура и химический состав ванны по всему объему; в) явление «барботажа» – очистка ванны. Пузырьки СО, всплывающие вверх, захватывают пузырьки других газов и частицы неметаллических включений (окислов типа MnO, SiO2 и др.) и выносят их из жидкого металла (газы – в атмосферу, включения – в шлак). За счет этого сталь становится чистой (без кипения она осталась бы очень «грязной»); г) реакция десульфурации (удаления вредной примеси – серы S): FeS + CaO FeO + CaS (в шлак). Соль СаS в жидкой ванне не растворяется, поэтому она всплывает и переходит в шлак. 3 период – раскисление стали (восстановление окисла железа FeО, растворенного в жидкой стали). Раскисление производится при помощи химических элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо FeО + Mn Fe + MnO FeО + Si Fe + SiO2 FeО + Al Fe + Al2O3 (оксиды MnO, SiO2, Al2O3 всплывают в шлак). 4 период – легирование (ввод легирующих элементов). Легирующие элементы, сродство к кислороду у которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu) – при плавке практически не окисляются, поэтому их можно ввести в процесс в любой момент плавки (даже с шихтой). Те легирующие элементы, у которых химическое сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), можно вводить в конце процесса плавки или в разливочный ковш.