Сущность процесса производства стали

Сущность передела чугуна в сталь заключается в уменьшении количества содержащегося в нём углерода и других веществ до нужных значений путем их окисления и перевода продуктов окисления в шлак или атмосферу. В табл. 3.2 это хорошо иллюстрируется сравнением концентрации основных компонентов в чугуне и в стали.

 

 

 

 

Рисунок 3.6 – Схема кислородного конвертора:

1 – жидкий чугун, 2 – кислородная фурма, 3 – стальная лётка, 4 – горловина, 5 – стальной кожух, 6 – футеровка, 7 – струя кислорода, 8 – схема движения металлического расплава при продувке

 

Таблица 3.2 – Сравнительная характеристика химического состава

передельного чугуна и углеродистой стали

Сплав железа с углеродом	Концентрация компонентов, мас. %
	C	Si	Mn	P	S
Передельный чугун ПВК1	3,8…4,4	0,9…1,2	0,5…1,5	0,020…0,050	0,015…0,025
Сталь ВСт3пс	0,14…0,22	0.05…0,17	0,3…0,65	≤ 0,040	≤ 0,050

В процессе передела чугуна в сталь происходит взаимодействие между элементами, находящимися в какой-либо из трёх фаз – жидкой металлической, жидкой шлаковой или газовой – различных по агрегатному состоянию и химическому составу. При этом один и тот же элемент, например, железо может одновременно присутствовать и в металлической, и в шлаковой фазе, а в результате взаимодействия с другими элементами переходить из одной фазы в другую. Местоположение элемента или соединения в той или иной фазе принято обозначать заключением химического символа в разные скобки. В квадратных (в [11] – прямых) скобках указывают элементы или химические соединения в металлической фазе, в круглых скобках – в шлаке, в фигурных скобках – в газовой фазе.

Направляемый из фурмы на металлический расплав кислород взаимодействует с элементами, присутствующими в чугуне. В соответствии с химическим законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне присутствует железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимо-

действии чугуна с кислородом на границе раздела металл – газ:

2[Fe] + {O₂} = 2[FeO]                                                          (3.1)

Одновременно с железом газообразным кислородом на межфазной границе окисляются Si, P, C, Mn и др.:

[Si] + {O₂} = 2[SiO₂] ,

2[Mn] + {O₂} = 2[MnO] и т.д.

Однако основное количество примесей окисляется за счёт кислорода, содержащегося в оксиде железа:

[Si] + 2[FeO] = (SiO₂₎ + 2[Fe] + Q₁;                                           (3.2)

2[Р] + 5[FeO] = (Р₂О₅) + 5[Fe] + Q_2;                                                   (3.3)

[Mn] + [FeO] = (MnO) + [Fe] + Q_3;                                           (3.4)

[C] + [FeO] = CO↑ + [Fe] – Q₄. _;                                                (3.5)

Чем больше оксида железа в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в в жидкую металлическую фазу добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от концентрации, но подчиняется также принципу Ле Шателье. В соответствии с ним химические реакции, выделяющие теплоту (Q > 0), протекают интенсивнее при боле низких температурах, а реакции, поглощающие теплоту (Q < 0), протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры.

Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее идут процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением тепла по реакциям (3.2) ... (3.4), а углерод интенсивно окисляется по реакции (3.5) только при высокой температуре металла, т.е. в середине и в конце плавки.

Второй жидкой фазой, не смешивающейся с металлической в сталеплавильном агрегате, является шлак – сплав оксидов с незначительным количеством сульфидов. Образование шлака есть, прежде всего, результат расплавления оксида CaO из флюса, а затем окисления примесей в жидком металле и образования оксидов с меньшей плотностью, чем металл. Поэтому оксиды шлака всегда собираются на поверхности металлической фазы. 

Большинство компонентов чугуна (Mn, Si, Р, S) и их соединения, растворимые и в жидком металле, и в жидком шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определённом соотношении, называемом константой распределения (закон Нернста), характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака, можно менять константы распределения, т.е. соотношения между количеством примесей в металле и шлаке, так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путём подачи флюса требуемого состава, можно очищать металл от вредных примесей – серы и фосфора. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюса является одним из основных способов управления металлургическими процессами.

 

 

Рисунок 3.7 – Последовательность технологических операций при выплавке стали в кислородном конверторе:

а – положение конвертора в ходе продувки, б – завалка скрапа, в – заливка жидкого чугуна, г – загрузка

железной руды и флюсов, д – выпуск готовой стали через лётку, е – слив шлака через горловину

 

Дефосфорация. Для удаления фосфора шлак должен содержать большое количество основного оксида CaO, чтобы поглощать из металла и удерживать серу и фосфор. Такой шлак обладает высокой основностью В, определяемой как отношение концентраций основных и кислых оксидов в шлаке:

В = (%CaO) / (%SiO₂) или В = (%CaO) / (%SiO₂ + % Р₂О₅).  

В кислородно-конверторном процессе требуемая основность В = 3…4.

Образующийся по реакции (3.3) фосфорный ангидрид образует с оксидом железа в шлаке нестойкое соединение (FeO∙Р₂О₅) . Оксид кальция CaO – более сильный основной оксид, чем оксид железа, поэтому приневысоких температурах связывает ангидрид Р₂О₅, оставляя его в шлаке:

2[Р] + 5(FeO) + 4(CaO) ↔ (4CaO∙Р₂О₅) + 5[Fe].                               (3.6)

Десульфурация. Сера находится в стали 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, растворённый в шлаке, взаимодействует с оксидом кальция, также растворённым в шлаке:

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO).                                                 (3.7)

Эта же реакция протекает на межфазной границе металл – шлак между сульфидом железа в стали [FeS] и оксидом кальция в шлаке (CaO):

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO).                                                 (3.8)

Образующееся соединение (CaS) растворимо в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера не может снова вернуться в сталь и остается в шлаке и удаляется с ним.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: