Основные реакции сталеплавильных процессов

Введение
Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.
Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, основа основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах.
Глава 1. Общие сведения о сталиКлассификация сталиСталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.
Сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.
В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде — специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде и Т.Д.).
В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах — металловедение — классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам (рис. 1.1.1).
По химическому составу стали подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.
Рисунок 1.1.1. Классификация стали.
Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3...0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода).
Легированные стали, кроме углерода, содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физико-химических и механических свойств по сравнению с углеродистыми сталями. Легировать — значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.
Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов, определяющих химический состав сталей и наличие в них вредных примесей — серы и фосфора, а также различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические, механические и технологические свойства, т.е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, делятся на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества содержат 0,045...0,060 % серы, 0,04...0,07 % фосфора.
Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора — 0,035...0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.
Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.
Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электро- шлакового или вакуумно-дугового переплава.
По назначению углеродистые и легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.
Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. п. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие — только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.
Стали этой группы по химическим свойствам подразделяются на нержавеющие, кислотостойкие, окалиностойкие и др., а в зависимости от химической стойкости они бывают конструкционные и специального назначения.К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок СтО, Ст1 и т.д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т.д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).
Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К этим сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемое™, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.
Специальные легированные стали — это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся нержавеющие (коррозионно-стойкие), жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие и другие стали. Эту группу составляют высоколегированные стали, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и т.д. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионно-стойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие — в зависимости от требуемой температуры — 9... 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).
По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.
Раскисление — это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (ИеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление проводят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.
Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (РеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.
Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.
Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает наверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газо- выделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.
Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.
На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.
В отожженном состоянии структура сталей делится на шесть классов:
• доэвтектоидные — структура феррита и перлита;
• эвтектоидные — структура перлита;
• заэвтектоидные — структура перлита и цементита;
• ледебуритные — структура первичного ледебурита или карбида;
• аустенитные — структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом;
• ферритные — структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.
Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные — всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.
В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные и аустенитные.
Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.
Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12... 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.
Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.
1.2. Шлаки сталеплавильных процессов
Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата.
Шлак образуется в результате окисления составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2, Р2O5, TiO2 и др.), основные (СаО, МgО, FeО, МnО и др.) и амфотерные (Аl2O3, Fe2O3, Сr2O3, V2O3 и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiО2 и СаО.
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей.
2. Во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу.
3. В мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача тепла металлу.
4. Защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
Изменяя состав шлака, можно отчищать металл от таких вредных примесей, как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина, обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих – известняка, извести, плавикового шпата, боксита и др.
Глава 2. Основные реакции сталеплавильных процессов
Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е. очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода, марганца, кремния, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из железной руды или других окислителей, либо при продувке ванны газообразным углеродом.
2.1. Окисление углерода
Особенность окисления углерода заключается в том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости. Реакцию окисления углерода, растворенного в металле можно написать в следующем виде:
где [С]; [O] – концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.
2.2. Окисление и восстановление марганцаМарганец как элемент, обладающий высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так и при основном процессах. Реакции окисления и восстановления марганца можно представить следующим образом:
Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением температуры и основности шлака концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает на то, что реакция окисления марганца достигает равновесия и окислительный процесс сменяется восстановительным. Поскольку почти все стали содержат марганец, то его восстановление в процессах плавки – явление желательное.
2.3. Окисление и восстановление кремнияКремний обладает еще большим сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:
При плавке под основным шлаком SiО2 связывается в прочный силикат кальция (СаО)2∙SiO2, что обеспечивает почти полное окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведение кремния иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсивное восстановление кремния.
2.4. Окисление и восстановление фосфора
Фосфор в стали является вредной примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается пределом 0,015…0,016 %. Окисление фосфора можно представить следующим образом:
Уравнение константы можно записать в следующем виде:
Откуда коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком
2.5. Десульфация сталиСера, так же как и фосфор, является вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции
Уравнение для константы имеет вид
Коэффициент распределения серы
Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака способствуют десульфации. Положительную роль оказывают также повышение температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени удаления серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные металлы.
2.6. Газы в стали
Газы (кислород, водород и азот) содержатся в любой стали. Газы даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента оказывают отрицательное влияние на свойства металла.
Растворимость кислорода в стали характеризуется реакцией
В готовом металле содержание кислорода должно быть минимальным. Растворимость водорода и азота в металле подчиняется закону Стивенса:
где pH и pN – парциальные давления газов;
КH и KN – растворимость водорода и азота при парциальном давлении соответствующего газа, равном 0,1 МПа.
Уменьшение растворимости при переходе из жидкого в твердое состояние при кристаллизации стали вызывает выделение газов из металла, что является причиной образования ряда дефектов, например, флокенов (мельчайших трещин, образующихся в результате выделения водорода в виде газа), пористости в слитках готовой стали и т.п. В присутствии некоторых элементов в металле могут образовываться их соединения с азотом – нитриды. Наличие нитридов в кристаллической структуре многих сталей отрицательно влияет на свойства металла.
Азот и водород успешно удаляются из жидкой стали в результате реакции окисления углерода. Образующийся по этой реакции СО собирается в пузырьки, которые вырываются на поверхность металла, пробивают находящийся под металлом слой жидкого шлака и выходят в атмосферу. В результате этого создается впечатление кипения жидкой ванны.
Всплывающие пузырьки СО захватывают по пути вверх некоторое количество других газов – Н2 и N2. Чем энергичнее протекает кипение металла, тем меньше содержание газов и тем лучше качество металла. Для удаления Н2 и N2 применяют также вакуумную обработку, продувку ванны нейтральным газом (аргоном) и др.
2.7. Раскисление стали
Для снижения содержания кислорода в стали проводят ее раскисление. Это, как правило, последняя и ответственная операция в процессе выплавки стали. Раскисление –процесс удаления кислорода, растворенного в стали, путем связывания его в оксиды различных металлов, имеющих большее сродство к кислороду, чем железо.
Наиболее распространенными раскислителями являются марганец и кремний, используемые в виде ферросплавов, и алюминий.
Реакции раскисления можно представить следующим образом:
В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два метода раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное.
При глубинном раскислении раскислители вводят в глубину металла. В этом случае требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления – оксиды кремния, марганца, алюминия – всплыли в шлак. При диффузном раскислении раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл. Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания кислорода в металле осуществляется за счет его перехода из металла в шлак, т. е. [О] => (О). При диффузионном раскислении не происходит загрязнение металла неметаллическими включениями – продуктами раскисления.
Для более глубокого раскисления применяют обработку жидкого металла в вакууме или синтетическими шлаками.
В зависимости от степени раскисления различают спокойную, кипящую и полуспокойную сталь.
Спокойная сталь – это сталь, полностью раскисленная, т. е. благодаря вводу большого количества раскислителей весь кислород в стали находится в связанном с элементом-раскислителем состоянии.
При разливке такой стали газы не выделяются, и она застывает спокойно.
Кипящая сталь – это сталь, частично раскисленная марганцем. При разливке в слитки она бурлит (кипит) благодаря выделению пузырьков оксида углерода, образующихся по реакции: [С]+[О]={СО}.
Полуспокойная сталь – это сталь, по степени раскисленности занимающая промежуточное место между кипящей и спокойной.
Полуспокойную сталь раскисляют частично в печи (марганцем) и затем в ковше (кремнием, алюминием).
ЗаключениеМеталлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли конструкционного материала.
Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром, к цветным – почти все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.
Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.
Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.
Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.
Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основные способы выплавки стали – кислородноконвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.
Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительная особенность сталеплавильных процессов заключается в наличии окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.
Список использованной литературыВоскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. в 76 Общая металлургия: учебник для вузов / Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. - 6-изд., перераб. и доп. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2005.
Кудрин В.А. Металлургия стали. – М.: Металлургия, 1981.
Расщупкин В.П., Корытов М.С. Производство стали. Методика выплавки: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007.
Хан Б.З., Ищук Н.Я. Раскисление, дегазация, легирование стали. – М.: Металлургия, 1965.
Явойский В.И. Теория процессов производства стали. – М.: Металлургия, 1967.