Общая характеристика плавки стали

Процессы плавки стали по физико-химическим особенностям подразделяются на кислые и основные.

Кислые процессы осуществляются в печах с футеровкой, в которой преобладает кислый оксид SiO₂. при кислом процессе невозможно удалить из металла серу и фосфор. Но экономичность кислого процесса выше, чем основного так как; так в случае плавки в дуговых печах при кислом процессе стойкость футеровки в 2 раза выше, длительность плавки на 20-25% меньше, расход электроэнергии на 10-15% ниже, чем при основном. В связи с этим для плавки обычных углеродистых сталей применяют кислый процесс.

Основной процесс проводят в печах с футеровкой из магнезита или хромомагнезита и с применением высокоосновных шлаков, т.е. с высоким содержанием CaO и MgO, что позволяет осуществлять дефосфорацию и десульфурацию. Поэтому для получения высококачественных сталей применяют основной процесс.

Поскольку требуемые свойства в отливке необходимо обеспечить без дальнейшего металлургического передела, поэтому необходимо получить сталь с минимальным содержанием вредных примесей (серы, фосфора, азота, кислорода). Чем ниже содержание вредных примесей, тем выше качество стали. Например, снижение содержания серы с 0,03 до 0,01% увеличивает ударную вязкость стали в 2-3 раза.

В подготовленную сталеплавильную печь загружают шихту, затем её нагревают и расплавляют, в результате образуются жид­кий металл и шлак. Жидкий металл обрабатывают под шлаком и этот шлак удаляют, после чего берут пробу и доводят сталь до требуемого состава. Во время доводки для удаления вредных примесей наводят новый шлак, затем сталь раскисляют. Для получения высококачественных сталей их модифицируют Р3M.

Формирование состава стали происходит в результате взаимодействия следующих фаз: твердого металла, восстановителя (раскислителя), флюсов, газовой фазы, футеровки, жидкого металла и шлака.

Формирование состава стали происходит в результате взаимодействия фаз при плавке (8.1-8.19). Шихта для плавки содержит большое количество лома. Передельного чугуна, расходуется 150 кг на 1 т годных стальных отливок. Стальной лом уже во время нагрева окисляется, т.к. печная атмосфера, взаимодействующая с металлом, содержит газы окислители О₂ , СО₂, H₂О окисляющие в первую очередь железо:

(8.1) (8.2) (8.3)

При взаимодействии газовой фазы с металлом окисляются также другие элементы:

(8.4) (8.5) (8.6)   (8.7) (8.8) (8.9)   (8.10) (8.11)

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

(8.12) (8.13) (8.14)

Окислительный период характеризуется высокими окислитель­ными свойствами шлака. Наиболее активно протекают реакции (8.12 -8.14).

По окончании окислительного периода при проведении восста­новительных процессов (например, под белымили карбидным шлаком) термодинамика их резко меняется, в чем и состоит прин­ципиальное отличие плавки стали.

Реакции (8.1-8.14) в зависимости от типа сталеплавильного агрегата и состава шихты протекают по-разному. Для конвертернего процесса характерны реакции (8.1, 8.4, 8,7, 8.10). В мар­теновской печи более активно протекают реакции (8.2, 8.3), т.к. в атмосфере печи содержится много CO₂ и Н₂O (углеводо­роды газа или мазута). Реакции окисления элементов закисью же­леза (8.12-8.14) характерны для периода перегрева и доводки ме­талла под окислительным шлаком.

Под окислительным шлаком более активно выгорают кремний и марганец по реакциям (8.12, 8.13), затем начинается кипение ванны по реакции (8.14) за счет выделения пузырьков СО. Если для кипения ванны недостаточно образовавшейся ранее FeO, то в печь вводят железную руду. В зависимости от разновидности процесса, реакции (8.12-8.14) доводят либо до полного окисле­ния примесей, либо на какой-то стадии прекращают.

Под окислительным шлаком в основном процессе удаляют фос­фор по реакциям:

(8.15) (8.16) (8.17)

Для успешного удаления фосфора требуется избыток FeO, СаОи невысокая температура, т.к. реакция его удаления экзотермическая.

По окончании обработки стали под окислительным шлаком его скачивают. Перегрев и доводку металла осуществляют под специально наводимыми восстановительными шлаками. Для удаления серы на­водят шлак с высокой основностью, т.е. содержащий большое ко­личество СаО:

(8.18) (8.19)

Для максимального удаления серы необходимо значительное содержание СаО в шлаке и высокая температура. При этом через шлак можно производить раскисление металла кремнием или марган­цем, которые, взаимодействуя с закисью железа по реакциям (8.12, 8.13), резко снижают её содержание в шлаке и смещают рав­новесие распределения [FeO] и (FeO) вправо, т.е. способ­ствуют переходу закиси железа из металла в шлак.

После обработки металла под шлаком последний скачивают, затем сталь выпускают. Во время выпуска, ее раскисляют элементами Si, Mn, Al:

(8.20) (8.21) (8.22)

Между содержанием элемента - раскислителя [Э_R]и оста­точным кислородом [O] имеется связь, которая является - раскис­лительной способностью элементов.

Процессы, протекающие при плавке, связаны прежде всего с передачей кислорода из газовой фазы и шлака металлу.

Механизм кипения аналогичен возникновению пузырьков пара на стенках сосуда. Закись железа идет на окисление элементов на границе раздела металл-шлак и сама окисляется на поверхнос­ти раздела шлак-газ. Если шлак имеет высокую вязкость и низкую температуру, то механизм окисления может полностью замкнуть­ся на выработку FeOпо схеме:

(8.23) (8.24) (8.25)

Таким образом, для успешного протекания окислительных про­цессов необходимо, чтобы температура, вязкость шлака и содер­жание в нем FeO поддерживалось на высоком уровне.

В последнее время с целью интенсификации десульфурации сталь обрабатывают в ковше специальными рафинировочными высоко­основными шлаковыми смесями. Например, обработка жидкой стали в ковше белым шлаком обеспечивает снижение содержания серы на 70% от первоначального. Шлак выплавляют в специальных дуговых печах.

Кроме раскисления внепечная обработка может также включать модифицирование щелочно - и редкоземельными элементами в виде комплексных лигатур.