Физико-химические процессы получения стали

Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путём их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определённые условия, используя основные законы физической химии.

В соответствие с законом действующих масс (норвежских учёных Като Гульдберга и Петера Вааге) скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в чугуне больше всего железа, то оно и окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи.

2Fe + O₂ = 2FeO + Q (1)

Одновременно с железом окисляются примеси Si, P, Mn, C и другие.

Образующийся оксид железа (II) при высоких температурах растворяется в железе и окисляет примеси:

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + Q (2)

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + Q (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q (4)

FeO + C = CO + Fe – Q (5).

Чем больше FeO содержится в жидком металле, чем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, содержащую оксиды железа. Т.о., основное количество примесей окисляется за счёт кислорода FeO.

I этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходит окисление железа и примесей по реакциям 1 – 4. Наиболее важная задача этого этапа – удаление вредной примеси фосфора. Для этого необходимо проведение плавки в печи с основным огнеупором, в которой можно использовать основные флюсы, содержащие СаО.

Р₂О₅ + 3СаО = Са₃(РО₄)₂ (6)

II этап – «кипение» металлической ванны. Начинается оно по мере её прогревания до более высоких температур. Образующийся FeO реагирует с углеродом по реакции 5, а пузырьки СО, выделяющиеся из жидкого металла, вызывают эффект «кипения» ванны.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида FeS:

FeS + CaO = CaS + FeO (7)

Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе.

В сталеплавильных печах с кислой футеровкой нет условий для уменьшения количества фосфора и серы, т.к. нельзя использовать основные флюсы, поэтому в кислых печах можно выплавлять сталь только из шихтовых материалов с малым содержанием серы и фосфора.

III этап (завершающий) – раскисление стали. Заключается в восстановлении FeO, растворённого в жидком металле.

Раскисление осуществляется введением в жидкую сталь ферромарганца, ферросилиция и алюминия. При этом происходят реакции:

FeO + Mn = MnO + Fe

2FeO + Si = SiO₂ + Fe

3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe

При последовательном раскислении стали ферромарганцем, ферросилицием и алюминием получают спокойную сталь, при раскислении ферромарганцем и уменьшенным количеством ферросилиция – полуспокойную, при раскислении только ферромарганцем – кипящую.

Раскислители вводят либо в печь, либо в струю разливаемого в ковш металла.