Физико-химические процессы при выплавке стали

Сталь нельзя сразу получить из железной руды. Обязательно сначала получают чугун, а затем из него можно выплавить сталь. Однако при выплавке стали используют в небольшом количестве железную руду. Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (таблица 1), поэтому сущность передела чугуна в сталь заключается в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Таблица 1 - Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, мас. %

Материал C Si Mn P S
Передельный чугун 4 – 4,4 0,76 – 1,26 до 1,75 0,15 – 0,3 0,03 – 0,07
Сталь низкоуг-леродистая 0,14 – 0,22 0,12 – 0,3 0,4 – 0,65 0,05 0,055

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах: Fe + 1/2O2 = FeO + 263,68 кДж.Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др. Образующийся оксид железа при высоких температурах отдаёт свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их: 2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330,5 кДж; 5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 225,94 кДж; FeO + Mn = MnO + Fe + 122,59 кДж; FeO + C = CO + Fe – 153,93 кДж.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа. Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора. Главная задача этапа – удаление фосфора. Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит оксид кальция. Фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3·P2O5. Оксид кальция характеризуется более сильными основными свойствами, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P2O5 и переводит его в шлак: 2[P] + 5(Fe O) + (CaO) = (4CaO · P2O5) + 5[Fe].

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, а также достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак. По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается. Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.

Второй этап – кипение металлической ванны – начинается по мере прогрева до более высоких температур. При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты: FeO + C = CO + Fe – 153,93 кДж.

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород. При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны». При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO. Все это способствует повышению качества металла. Следовательно, этот этап - основной в процессе выплавки стали. На этом этапе создаются условия для удаления серы, которая в стали находится в виде сульфида (FeS), растворимого в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа (FeS) растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO: (FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO). Образующееся соединение растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап – раскисление стали заключается в восстановлении железа из его оксида, растворённого в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным. Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, ферроалюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO2, Al2O3 и др., которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак. Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали: а) спокойные, б) кипящие, в) полуспокойные. Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше. Кипящая сталь раскислена в печи неполностью, ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода. Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки. Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Способы выплавки стали

Кислородно-конвертерный процесс включает в себя выплавку стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Кислородный конвертер представляет собой сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера – 130 - 350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360° для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака.

Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака. Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах представлена на рис. 2.

Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru

а - загрузка скрапа; б - заливка чугуна; в - продувка кислородом, г - разливка стали; д - слив шлака

Рисунок 2. - Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

После очередной плавки стали выпускное отверстие заделывают огнеупорной массой, осматривают футеровку, ремонтируют. Перед плавкой конвертер наклоняют, с помощью завалочных машин загружают скрап рис. (1 а), заливают чугун при температуре 1250…1400 0C (рис. 1 б). После этого конвертер поворачивают в рабочее положение (рис. 1 в), внутрь вводят охлаждаемую фурму и через неё подают кислород под давлением 0,9 - 1,4 МПа.

Одновременно с началом продувки загружают известь, боксит, железную руду. Кислород проникает в металл, вызывает его циркуляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Под фурмой развивается температура 2400 °C. В зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо. Оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Растворенный кислород окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и их содержание падает. Происходит разогрев металла теплотой, выделяющейся при окислении. Фосфор удаляется в начале продувки ванны кислородом, когда ее температура невысока (содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,15 %). При повышенном содержании фосфора для его удаления необходимо сливать шлак и наводить новый, что снижает производительность конвертера. Сера удаляется в течение всей плавки (содержание серы в чугуне должно быть до 0,07 %).

Подачу кислорода заканчивают, когда содержание углерода в металле соответствует заданному марочным составом. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш (рис. 1 г), где раскисляют осаждающим методом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, затем сливают шлак (рис. 1 д).

В кислородных конвертерах выплавляют малоуглеродистые конструкционные стали, кипящие и спокойные, а также низколегированные стали. Легирующие элементы в расплавленном виде вводят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вместимостью 130 - 300 т заканчивается через 25 - 30 минут.

Мартеновская печь – это пламенная отражательная регенеративная печь (рис. 3). Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками.

 
  Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru

Рисунок 3 - Схема мартеновской печи

Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие 9 для выпуска готовой стали. Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора (1).

Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов. Отходящие от печи газы имеют температуру 1500 - 1600 °C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 °C. Через один из регенераторов подают воздух, который проходя через насадку нагревается до 1200 °C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образует факел (7), направленный на шихту (6).

Размеры плавильного пространства зависят от емкости печи. В нашей стране работают печи емкостью 20 - 900 т жидкой стали. Важной характеристикой печи является площадь пода, которую условно подсчитывают на уровне порогов загрузочных окон. Для подогрева воздуха в печи при работе на газообразном топливе печь имеет два регенератора – это камера с выложенным в клетку кирпичом. Отходящий из печи воздух с температурой 1000-1500 °С нагревает кипричи до 1250 – 1280 °С, а попадающий атмосферный воздух, соответственно, нагревается до температур 100 – 1200 °С, а потом только попадает в рабочее пространство печи, где смешивается с топливом.

Шихта– стальной скрап, жидкий и твердый чугун. В зависимости от состава шихты различают: 1) скрап-процесс, шихта – скрап и чушковый передельный чугун, применяют на заводах, далеко расположенных от доменного производства, и в крупных промышленных центрах, где много металлолома; 2) скрап-рудный процесс, основная часть шихты состоит их жидкого чугуна; наиболее экономичен, производство должно быть расположено вблизи домны.

В зависимости от футеровки печи различают кислый и основной процесс. Наибольшее количество сталей получают в печах с основной футеровкой, т.к. можно использовать различные шихтовые материалы (скрап-рудный процесс). Качественные стали, содержащие меньшее количество растворенных газов, выплавляют кислым мартеновским процессом.

Технология плавки основным скрап-рудным процессом: 1) осмотр и ремонт пода печи; 2) загрузка железной руды и известняка, прогрев; 3) подача скрапа, прогрев; 4) подача жидкого чугуна и продувка кислородом для ускорения процесса; 5) окисление примесей чугуна – кремния и фосфора, марганца и частично углерода; 6) кипение ванны – главный процесс в мартеновской печи, окисление углерода, отключение подачи топлива и воздуха в печь, 7) вспенивание шлака окисью углерода, выпуск шлака в чаши (скачивание шлака), удаление фосфора и серы; 8) процесс оканчивается при получении заданного содержания углерода и минимального содержания серы и фосфора., что определяют по пробам металла, которые берут постоянно в процессе плавки; 9) раскисление металла в два этапа: первый этап – в период кипения путем прекращения подачи руды в печь и одновременно подачей только раскислителей, второй этап – подача алюминия и ферросилиция в ковш перед разливкой стали; 10) выпуск плавки через сталевыпускное отверстие в задней стенке в ковш.

Производство стали в электропечах.Использование для разогрева и расплавления материалов энергии электрического тока осуществляется в электропечах. Преимущества – быстрый нагрев; точная регулировка температуры; возможность создавать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферы или вакуум, выплавлять стали и сплавы любого состава, более полно раскислять сталь, получать высококачественные стали и сплавы.

В дуговых электроплавильных печах в качестве источника тепла используется электрическая дуга, возникающая между электродами и металлической шихтой. Печь питается трехфазным электрическим током и имеет три графитовых электрода. Емкость дуговых электропечей 0,5 - 400 т. В металлургических цехах обычно используют дуговые электропечи с основной футеровкой, а в литейных – с кислой (рис. 4).

Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru Первый (окислительный) период начинается сразу после завалки шихты и пропускания тока через электроды. За счет кислорода воздуха, окислов шихты и окалины окисляются кремний, марганец, углерод, железо. После нагрева металла и шлака до 1500 – 1540 °С в печь загружают руду и известь. Происходит интенсивное окисление углерода, начинается кипение ванны жидкого металла. Печь наклоняют и выпускают вспенившийся шлак в чашу. Руду и известь добавляют 2-3 раза. Содержание фосфора в стали снижается до 0,01 мас. %. Когда содержание углерода становится меньше заданного на 0,1 мас. %, кипение прекращают и полностью уда лают из печи шлак.

Рисунок 4 - Схема дуговой плавильной электропечи

Второй период – восстановительный – это раскисление стали, удаление серы и доведения стали до заданного химического состава в соответствии с маркой. В печь подают ферромарганец, в требуемом по химическому составу количестве, производят при необходимости науглероживание. Затем нагружают флюс: известь, плавиковый шпат и шамотный бой. После его расплавления вводят раскислительную смесь: известь, плавиковый шпат, молотый кокс, ферросилиций. При этом в шлаке происходят реакции: FeO + C = Fe + CO, 2FeO + Si = Fe + SiO2. Количество закиси железа в шлаке снижается и она из металла переходит в шлак по закону распределения (диффузионное раскисление). Из металла удаляется сера по следующей химической реакции: FeS + CaO = CaS + FeO.

По ходу восстановительного периода берут пробы для определения химического состава стали. Когда химический состав соответствует марочному, проводят окончательное раскисление стали и выпускают металл в ковш.

При выплавке легированных сталей легирующие элементы вводят в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующего элемента к кислороду: никель и молибден вводят в период плавления или в окислительный период, поскольку они обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо; хром легко окисляется, поэтому его вводят в восстановительный период; кремний, ванадий и титан легко окисляются, поэтому их вводят перед выпуском металла в ковш.

Индукционные печи состоят из водоохлажлаемого индуктора (3), внутри него тигель (4) с металлической шихтой (рис. 5). Тигель изготовлен из огнеупорных материалов: кислый – кварцит или основной – магнезит.

 
  Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru

Рисунок 5 - Схема индукционной тигельной плавильной печи

Через индуктор проходит однофазный переменный ток повышенной частоты (500-100 кГц), который создает переменный магнитный поток, пронизывающий куски металла в тигле, наводит в них мощные вихревые токи Фуко, металл (1) нагревается до расплавления (рис. 5). В электропечах выплавляют высоколегированные стали, к которым предъявляются особые требования по качеству.

Технико-экономические показатели – емкость печи, расход электроэнергии (чем больше емкость, тем расход электроэнергии на 1 т выплавляемого металла меньше). Для интенсификации выплавки используют: электромагнитное перемешивание металла, кислород для продувки ванны стали в окислительный период. Для выплавки легированных марок сталей применяют дуплекс-процесс: выплавка стали в основном кислородном конвертере с последующим рафинированием и доводкой по химическому составу в электропечи.

Способы разливки стали

Из плавильных печей сталь выпускают в ковш, который мостовым краном переносят к месту разливки стали. Из ковша сталь разливают в изложницы или кристаллизаторы машины для непрерывного литья заготовок. В изложницах или кристаллизаторах сталь затвердевает, в результате получают слитки, которые затем подвергаются обработке давлением.

Изложницы– это чугунные формы для изготовления слитков. Изложницы выполняют с квадратным, прямоугольным, круглым и многогранным поперечными сечениями. Слитки с квадратным сечением переделывают на сортовой прокат: двутавровые балки, швеллеры, уголки. Слитки прямоугольного сечения – на листы. Слитки круглого сечения используются для изготовления труб, колёс. Слитки с многогранным сечением применяют для изготовления поковок. Спокойные и кипящие углеродистые стали разливают в слитки массой до 25 тонн, легированные и высококачественные стали – в слитки массой 0,5 - 7 тонн, а некоторые сорта высоколегированных сталей – в слитки до нескольких килограммов.

Физико-химические процессы при выплавке стали - student2.ru Сталь разливают в изложницы сверху (рис. 6 а), снизу (сифоном) (рис.6 б) и на машинах непрерывного литья. В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша 1. При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы.

Рисунок 6 - Разливка стали в изложницы: а – сверху; б – снизу (сифоном)

В изложницы сверху сталь разливают непосредственно из ковша (1). При этом исключается расход металла на литники, упрощается подготовка оборудования к разливке. К недостаткам следует отнести менее качественную поверхность слитков, из-за наличия пленок оксидов от брызг металла, затвердевающих на стенках изложницы. Применяется для разливки углеродистых сталей.

Присифонной разливкеодновременно заполняются несколько изложниц (от 4 до 60). Изложницы устанавливаются на поддоне (6), в центре которого располагается центровой литник (3), футерованный огнеупорными трубками (4), соединённый каналами (7) с изложницами. Жидкая сталь (2) из ковша (1) поступает в центровой литник и снизу плавно, без разбрызгивания наполняет изложницу (5). Поверхность слитка получается чистой, можно разливать большую массу металла одновременно в несколько изложниц. Используют этот способ для легированных и высококачественных сталей.

Непрерывная разливкастали состоит в том, что жидкую сталь из ковша через промежуточное разливочное устройство непрерывно подают в водоохлаждаемую изложницу без дна – кристаллизатор, из нижней части которого вытягивается затвердевающий слиток.

Перед заливкой металла в кристаллизатор вводят затравку – стальную штангу со сменной головкой, имеющей паз в виде ласточкиного хвоста, которая в начале заливки служит дном кристаллизатора. Вследствие интенсивного охлаждения жидкий металл у стенок кристаллизатора и на затравке затвердевает, образуется корка, соединяющая металл с затравкой. Затравка движется вниз при помощи тяговых роликов, постепенно вытягивая затвердевающий слиток из кристаллизатора. После прохождения тяговых роликов, затравку отделяют. Скорость вытягивания составляет в среднем 1 м/мин. Окончательное затвердевание в сердцевине происходит в результате вторичного охлаждения водой из брызгал. Затем затвердевший слиток попадает в зону резки, где его разрезают газовым резаком, на куски заданной длины. Слитки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, отсутствуют усадочные раковины. Этот метод используют для высоколегированных сталей и цветных сплавов.

Наши рекомендации