Процесс выплаки стали

Основными материалами для про­изводства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Со­держание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл.).

Состав чугуна и стали, %

Поэтому сущностью любого метал­лургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем 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 определенные условия, используя основные законы физической химии.

Про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла не­высока; интенсивно происходят окис­ление железа, образование оксида же­леза и окисление примесей Si, P, Mn. Наиболее важная задача этого процесса - удаление фосфора (одной из вредных примесей в стали). Для этого необходимо про­ведение плавки в основной печи, в ко­торой можно использовать основной шлак, содержащий СаО. Выделяющий­ся фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FеO)₃xР₂О₅. Оксид кальция СаО—более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид Р₂О₅, переводя его в шлак:

Реакция образования фосфорного ан­гидрида протекает с выделением тепло­ты, поэтому для удаления фосфора из металла необходимы невысокие тем­пературы ванны металла и шлака. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фос­фора из металла замедляется. Поэтому для более полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирают шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО.

Второй этап - «кипение» металличес­кой ванны - начинается по мере ее прогрева до более высоких, чем на первом этапе, температур. При повыше­нии температуры металла более интенсивно протекает реакция окис­ления углерода, происходящая с погло­щением теплоты.

Образующийся в металле оксид же­леза реагирует с углеродом, а пузырьки оксида углерода СО 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 СО, а также газы, проника­ющие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны явля­ется основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида [FeS], который растворяется также в основном шлаке (FeS). Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т. е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шла­ке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке: (FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO)

Эта же реакция протекает на границе металл-шлак между сульфидом же­леза в стали [FeS] и (СаО) в шлаке: [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO)

Образующееся соединение (CaS) рас­творимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

Третий этап (завершающий) - раскисление стали заключается в восстанов­лении оксида железа, растворенного 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 осуществ­ляют введением в жидкую сталь рас­творимых раскислителей (ферромарган­ца, ферросилиция, алюминия), содер­жащих элементы Mn, Si, A1 и др., которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления вос­станавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO₂, Аl₂О₃ и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак. Однако часть их может остаться в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осущест­вляют раскислением шлака. Ферромар­ганец, ферросилиций и другие раскислители в мелкоразмельченном виде за­гружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид желе­за, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределе­ния оксид железа, растворенный в ста­ли, начнет переходить 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.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, ки­пящие и полуспокойные стали.

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 FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO+C=Fe+CO оксид углерода выделяется из стали, способствуя удале­нию из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь не содер­жит неметаллических включений -про­дуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

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 осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, срод­ство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Мо, Си), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с оста­льной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду боль­ше, чем у железа (Si, Mn, A1,Cr,V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредст­венно в ковш.

Основной способ выплавки стали из чугуна – кислородно-конверторныйспособ. Это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Этим способом производится порядка 40% выплавляемой стали в стране.

Кислородный конвертер - это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кир­пичом. Вместимость конвертера 130-350 т жидкого чугуна. В процессе ра­боты конвертер может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси на 360° для заливки 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 (Аl₂О₃), плавиковый шпат (CaF₂), которые при­меняют для разжижения шлака.

Перед плавкой конвертер наклоняют, через горловину с помощью завалоч­ных машин загружают скрап, заливают чугун при тем­пературе 1250-1400° С. После этого конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, внутрь его вводят водоохлаждаемую фурму и через нее подают кислород под давлением 0,9-1,4 МПа и расход 4 м³/мин. Одновременно с началом продувки в конвертер загружают известь, боксит, железную руду. Струи кислорода про­никают в металл, вызывают его цир­куляцию в конвертере и перемешивание со шлаком. Благодаря интенсивному окислению примесей чугуна при вза­имодействии с кислородом в зоне под фурмой развивается температура до 2400° С.

В зоне контакта кислородной струи с чугуном в первую очередь окисляется железо, так как его концентрация во много раз выше, чем примесей. Об­разующийся оксид железа растворяется в шлаке и металле, обогащая металл кислородом. Кислород, растворенный в металле, окисляет кремний, марганец, углерод в металле, и содержание их понижается. При этом происходит ра­зогрев ванны металла теплотой, вы­деляющейся при окислении примесей, поддержание его в жидком состоянии.

Si + O₂ ® SiO₂

Mn + O₂ ® MnO₂ шлак

P + O₂ ® P₂O₅

S + O₂ ® SO₂;C + O₂ ® CO₂

Подачу кислорода заканчивают, ког­да содержание углерода в металле соответствует заданному. После этого конвертер поворачивают и выпускают сталь в ковш.

При выпуске стали из конвертера ее раскисляют в ковше осаждающим ме­тодом ферромарганцем, ферросилицием и алюминием; затем из конвертера сливают шлак.

Рис.7 Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородных конвертерах

В кислородных конвертерах выплав­ляют конструкционные стали с различ­ным содержанием углерода, кипящие и спокойные.

В кислородных конвертерах трудно выплавлять стали, содержащие легко-окисляющиеся легирующие элементы, поэтому в них выплавляют низколе­гируемые (до 2-3% легирующих элементов) стали. Легирующие элементы водят в ковш, расплавив их в электропечи, или твердые ферросплавы вво­дят в ковш перед выпуском в него стали. Плавка в конвертерах вмести­мостью 130-300 т заканчивается через 25-30 мин. Кислородно-конвертерный процесс более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах.