Общая характеристика процесса плавки стали

Поскольку требуемые свойства в отливке необходимо обеспечить без дальнейшего металлургического передела, необходимо получить сталь с минимальным содержанием вредных примесей. Особенно важно снизить содержание кислорода, серы и фосфора, так как эти элементы образуют в стали оксидные, сульфидные и оксисульфидные включения. Сталь с низким содержанием вредных примесей имеет более высокое качество. Снижение содержания фосфора упрочняет металлическую матрицу, а снижение содержания серы с 0,03 до 0,01% увеличивает ударную вязкость стали в 2–3 раза.

В подготовленную сталеплавильную печь загружают шихту, затем ее нагревают, расплавляют, при этом образуются жидкий металл и шлак. Далее следует обработка жидкого металла под шлаком, удаление этого шлака, затем берут пробу и сталь доводят до требуемого состава. Во время доводки возможно наведение нового шлака с целью удаления вредных примесей, т.е. улучшения качества стали. Во всех случаях на заключительном этапе производят раскисление стали. Для получения высококачественных сталей целесообразно модифицировать сталь силицидами РЗЭ.

Формирование состава стали происходит в результате взаимодействия фаз при плавке. Рассмотрим отдельно каждый период. Шихта для плавки стали содержит большое количество стального лома. Передельного чугуна расходуется около 150 кг на 1 т годных стальных отливок. Стальной лом уже во время нагрева окисляется, так как печная атмосфера, взаимодействующая с металлом содержит газы-окислители О₂, СО₂ и Н₂О, окисляющие в первую очередь железо:

[Fe] + {½О₂} = (FeO),

[Fe] + {CO₂} = (FeO) + {CO},

[Fe] + {H₂O}= (FeO) + {H₂}.

При взаимодействии газовой фазы с металлом окисляются также и другие элементы:

[Si] + {O₂}=(SiO₂),

[Si] + {2СО₂} = (SiO₂) + {2СO},

[Si] + {2H₂O}= (SiO₂) + {2H₂},

[Mn]+ {½О₂} = (MnO),

[Mn] + {СО₂} = (MnO) + {CO},

[Mn] + {H₂O} = (MnO) + {H₂},

[C]+ {½О₂} = {CO},

[C] + {CO₂} = {2CO},

[C] + {O₂} = {СО₂},

[C] + {H₂O} = {CO} + {H₂}.

Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо, окисляются закисью железа:

[Si] + (2FeO) = (SiO₂) + [2Fe],

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

[C] + [(FeO)] = {CO} + [Fe].

Приведены реакции только для основных элементов. Аналогично может быть описано окисление любого элемента, если оно термодинамически возможно. Окислительный период характеризуется высокими окислительными свойствами шлака. По окончании окислительного периода и, особенно, при проведении восстановительных процессов (например, под белым или карбидным шлаком) термодинамика процессов резко изменяется. В этом принципиальное отличие сталеплавильных процессов от процессов плавки чугуна.

Реакции в зависимости от вида сталеплавильного агрегата и состава шихты развиваются в различной степени. Реакции окисления элементов закисью железа протекают лишь тогда, когда металл покроется слоем окислов. Эти реакции характерны для периода перегрева и доводки металла под окислительным шлаком.

В соответствии с общими физико-химическими закономерностями под окислительным шлаком вначале более активно выгорают кремний и марганец, и затем начинается кипение ванны вследствие выделения пузырьков СО. Если для кипения ванны недостаточно образовавшегося ранее FeO, то в печь вводят железную руду. В зависимости от разновидности сталеплавильного процесса доводятся либо до полного окисления примесей, либо на какой-то стадии прекращаются. Под окислительным шлаком в основном процессе удаляется фосфор:

2Р + 5FeO = Р₂О₅ + 5Fe,

Р₂О₅ + 3FeO = (FeO)₃P₂О₅,

(Fe0)₃P₂О₅ + 4СаО = (СаО)₄Р₂О₅ + 3FeO.

Для успешного удаления фосфора необходимо наличие FeO и СаО в шлаке и не требуется высокая температура. По окончании обработки стали под окислительным шлаком этот шлак скачивают. Далее перегрев и доводка металла в печи осуществляются с участием восстановительных шлаков, специально наводимых для этого, во время перегрева и доводки вводят ферросплавы для получения заданного химического состава стали. Для удаления серы наводят шлак с высокой основностью, т. е. содержащий много СаО. При этом сера, находящаяся в виде сульфидов, удаляется в шлак:

[FeS ] + (СаО) = (CaS) + (FeO),

[MnS ] + (СаО) = (CaS) + (MnO).

Для более полного удаления серы необходимо высокое содержание СаО в шлаке и высокая температура. В этот период через шлак производится также и раскисление металла, для чего на поверхность шлака вводят углерод и кремний, которые, взаимодействуя с закисью железа резко снижают ее содержание в шлаке и смещают равновесие распределения [FeO] = (FeO) вправо, т. е. способствуют переходу закиси железа из металла в шлак.

По окончании обработки металла под шлаком шлак скачивают и после этого выпускают сталь. Перед выпуском или во время выпуска сталь раскисляют, применяя различные раскислители, содержащие Si, Mn и Аl. При этом протекают следующие реакции раскисления:

2FeO + Si = SiО₂ + 2Fe,

FeO + Mn = MnO + Fe,

3FeO + Al = A1₂O₃ + 3Fe.

Между содержанием элемента-раскислителя [Э_R] и остаточным содержанием кислорода [О] имеется установлена связь, которая трактуется как раскислительная способность элементов.

Механизм процессов, происходящих при плавке стали, связан прежде всего с передачей кислорода из газовой фазы и шлака металлу.

Кремний, марганец, фосфор и другие элементы, которые образуют при окислении шлакообразующие соединения, окисляются по реакциям, протекающим на поверхности раздела металл–шлак. Окисление углерода может протекать по всему объему. Пузырьки СО в этом случае возникают вероятнее всего на подложке, например, на границе металл – футеровка.

Таким образом, для успешного протекания окислительных процессов необходимы, максимальная температура и высокое содержание в шлаке FeO.

В последнее время десульфурацию стали стараются производить внепечной обработкой. Например, обработка жидкой стали в ковше белым шлаком обеспечивает снижение содержания серы на 70% от первоначального, для этого используют специальные шлакоплавильные печи.

Кроме раскисления внепечная обработка может включать также модифицирование. Значительную часть отливок из сталей, легированных, например, дорогими и дефицитными Ni, Mo, W, можно успешно заменить экономно-легированными сталями, модифицированными щелочноземельными и редкоземельными элементами в виде комплексных лигатур.