Сделать это можно путем окисления чугуна: углерод переходит в газ (в виде СО), a Si, Mn, Р переходят в шлак (в виде оксидов).
Таким образом, первое принципиальное отличие сталеплавильного производства от доменного - это окислительный характер процессов.
Второе отличие состоит в том, что производство стали требует значительно более высоких температур, чем производство чугуна. В соответствии с диаграммой состояния «Fe-С» (см. рис. 3.17, с. 62) с уменьшением содержания углерода в сплаве значительно возрастают температуры ликвидуса. Для нормального хода процесса сталеварения температура металла должна быть 1580-1620°С.
Третьим отличием является периодический характер производства*, когда в металлургический агрегат (печь, конвертер) дается определенное количество чугуна и других материалов, и начинают вести передел чугуна в сталь. По истечении некоторого времени, за которое окислительные процессы пройдут в необходимом объеме, готовую сталь выпускают из печи или конвертера. После чего начинается очередная плавка.
Несмотря на определенную специфику производства стали в конвертере, мартеновской печи и в электропечи, характер основных химических процессов и элементы технологии оказываются одинаковыми для этих трех агрегатов.
Шихта сталеплавильных агрегатов состоит из двух частей: металлической и неметаллической.
Основу металлической части составляют чугун и стальной лом. Доля чугуна в кислородно-конвертерном процессе доходит до 80%, в мартеновском - до 60%, в электросталеплавильном - 5%. На заводах с полным металлургическим циклом (на которых имеются доменные печи) чугун в сталеплавильные цеха подают в жидком виде и сливают в миксер - большой ковш емкостью до 2000 т, где происходит выравнивание химического состава и температуры чугуна из разных доменных печей и разных выпусков. На металлургических и машиностроительных заводах без доменных печей используют твердый чугун в виде слитков-чушек. Источниками стального лома являются отходы самих металлургических заводов: бракованные слитки, скрап, обрезь в прокатном производстве, отходы машиностроительных заводов: стружка, отходы штамповочного производства, а также отслужившие свой срок ме-
таллические изделия: машины, металлоконструкции, рельсы и т.п.
На заводах вторчермета этот стальной лом проходит специальную подго-товку: очистку от цветных металлов, резку крупногабаритных изделий, пакетирование легковесных отходов.
К металлической части шихты сталеплавильных производств можно отнести также ферросплавы, которые используются в качестве раскислителей и легирующих компонентов.
Неметаллическая часть шихты представлена двумя типами материалов: твердых окислителей и флюсов. В качестве твердых окислителей при производстве стали используют богатую железную руду, агломерат, окатыши, окалину прокатного и кузнечного производства. Эти материалы содержат большое количество Fe2О3и Fe3О4. Основным флюсом является СаО в виде известняка (СаСО3) или свежеобожженной извести. Часто для повышения жидкоподвижности шлака используют боксит (содержащий около 50% А12О3) и плавиковый шпат (более 90% CaF2).
Одно из основных требований к шихтовым материалам - минимальное содержание SiО2.
Общая схема сталеплавильного процесса. После очередного выпуска готовой стали новую плавку проводят в следующем порядке.
Заправка - ремонт (восстановление) разрушенных участков огнеупорной футеровки; на разъеденные места набрасывают размолотый огнеупорный материал (магнезит, доломит, кварц), который при высокой температуре приваривается к основной футеровке.
Завалка - загрузка шихты в печь или конвертер; вначале загружают твердую часть шихты: чушковый чугун, легковесный скрап, флюсы, твердые окислители, а затем заливают жидкий чугун. Жидкий чугун, стекая вниз, не только прогревает кусковую шихту, но и науглероживает стальной лом, благодаря чему снижается его температура плавления.
Собственно металлургический процесс начинается с плавления шихты, в результате которого образуется жидкая металлическая ванна и покрывающий ее расплавленный шлак. Плавку в этот период ведут при максимальной тепловой нагрузке печи, чтобы сократить до минимума его продолжительность. Уже в этот период с заметной скоростью начинают идти процессы выгорания примесей чугуна.
Главным периодом процесса является окислительный, в ходе которого удаляется - выгорает - избыточное количество углерода. Общую схему процессов, протекающих в этот период, можно представить следующим образом. В конвертерном (самом массовом) способе передела чугуна в сталь углерод окисляется в атмосфере газообразного кислорода дутья: 2[С] + О2 = 2СО*. Одновременно с выгоранием углерода окисляются примеси чугуна:
[Si] + О2 → (SiО2); [Мп] +О2 → (МпО); [Р] + О2 → (Р2О5). Так как все реакции окисления экзотермические, то в этот период существенно повышается температура металла.
В печных способах производства стали (мартеновском, в дуговых электрических печах) кислород поступает в металл из газовой фазы (через слой шлака) в результате последовательного протекания следующих процессов:
- на границе фаз «шлак-газ» идет окисление (FeO): (FeO) + O2 → (Fe2О3);
- образующийся оксид (Fe2О3) диффундирует в слое шлака к нижней границе фаз «шлак-металл», где он восстанавливается (Fe2О3) + Fe → (FeO);
- избыточное количество (FeO) растворяется в металле: (FeO) → [Fe] + [О].
Для ускорения процесса обезуглероживания металла в него дополнительно вводят «твёрдый» кислород - в составе оксидов Fe2О3 и Fe3О4 железорудных агломератов и окатышей. Таким образом, в печных способах производства стали углерод металла окисляется за счет взаимодействия с растворённым в нём кислородом: [С] + [О] → СО (а). Образующиеся при окислении углерода пузырьки СО всплывают на поверхность жидкой металлической ванны, создавая впечатление «кипения» стали. Этот процесс благотворно влияет на качест- во стали, которая в результате перемешивания получается более однородной по составу и температуре. Кипение металла существенно облегчает также вынос на его поверхность неметаллических частиц.
Константа равновесия основной реакции обезуглероживания стали без существенной ошибки (учитывая небольшие количества углерода и кислорода) может быть записана через концентрации:
Кр =,
где Рсо - равновесное парциальное давление СО (атм).
Приt = 1620°С иР0= 101,3 кПа (1 атм) произведение [С]р[О]рпо опытным данным составляет около 0,0025. Отсюда следует, что по мере уменьшения содержания углерода в стали концентрация растворённого в ней кислорода увеличивается следующим образом (%):
[С] 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1
[О] 0,0025 0,004 0,006 0,012 0,025
Раскисление стали. Действительное содержание растворённого в стали кислорода к концу окислительного периода (когда получено заданное содержание углерода) оказывается в 2-3 раза выше равновесного - от 0,02 до 0,08. Такое большое количество кислорода в стали не только серёзно ухудшает ее механические свойства, но и не позволяет получить нужную марку стали «по углероду», так как даже после прекращения поступления кислорода в металл извне углерод будет продолжать окисляться с заметной скоростью по реакции (а).
Чтобы устранить указанные выше негативные явления, проводят операцию, которую называют раскислением стали. Для разных марок сталей специалисты применяют различные способы раскисления: осаждающее, диффузионное, обработкой синтетическими шлаками или в вакууме. Наиболее распространённым является осаждающее раскисление, когда в жидкую сталь вводят небольшие количества элементов, обладающих более высоким сродством к кислороду, чем железо или углерод. Такими элементами-раскислителями могут быть (по мере усиления химической активности): Mn; Si; AI, а также Ti; Zr; Са. В результате раскисления количество растворённого кислорода снижают до равновесного (а иногда и ниже равновесного). Продукты раскисления в виде твёрдых частичек SiО2; МпО; А12О3 (плотность которых в несколько раз меньше плотности стали) всплывают и переходят в слой шлака.
К сожалению, часть мелких частичек оксидов из-за низкой скорости всплывания не успевает выделиться из стали и остаётся в ней в виде неметаллических включений. Как и газы, неметаллические включения ухудшают качество стали. Значительно лучшие результаты даёт применение комплексных раскислителей типа АМС (сплав алюминия, марганца и кремния). Смесь оксидов этих элементов плавится; при движении в стали таких капелек во время столкновения происходит их слияние, и скорость всплывания значительно увеличивается.
И наконец, для получения высококачественной стали осуществляют её легирование, т.е. добавляют в неё в небольших количествах легирующие элементы V; Ti; Mn; Cr; Ni. В большинстве случаев их вводят в виде ферросплавов.
В некоторых случаях операции раскисления и легирования проводят в период выпуска стали - в ковше.