Производство стали и методы исследования ее свойств

 

 

Дамасская сталь - первоначально то же, что и булат; позднее - сталь, полученная кузнечной сваркой сплетенных в жгут стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода. Название получила от города Дамасск (Сирия), где производство этой стали было развито в средние века и, отчасти, в новое время.

Булатная сталь (булат) - литая углеродистая сталь со своеобразной структурой и узорчатой проверхностью, обладающая высокой твердостью и упругостью. Из булатной стали изготовляли холодное оружие исключительной стойкости и остроты. Булатная сталь упоминается еще Аристотелем. Секрет изготовления булатной стали, утерянный в средние века, раскрыл в XIX веке П.П.Аносов. Опираясь на науку, он определил роль углерода как элемента, влияющего на качество стали, а также изучил значение ряда других элементов. Выяснив важнейшие условия образования лучшего сорта углеродистой стали - булата, Аносов разработал технологию его выплавки и обработки (Аносов П.П. О булатах. Горный журнал, 1841, № 2, с.157-318).

 

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 продувки ванны газообразным углеродом.

 

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:

[C] + [O] = {CO};     K =   

где [C]; [O] - концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.

Как следует из уравнения для  константы, при заданном значении р_со произведение концентрации углерода и растворенного кислорода есть величина постоянная. Следовательно, от концентрации углерода зависит концентрация кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже содержание кислорода в нем и наоборот.

 

Окисление и  восстановление марганца. Марганец 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:

[Mn] + [O] (MnO);   [Mn] + (FeO) (MnO) + [Fe]

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.  

 

Окисление и  восстановление кремния. Кремний обладает еще большим сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:

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

При плавке под основным шлаком SiO₂ связывается в прочный силикат кальция (CaO)₂•SiO₂, что обеспечивает почти полное окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведения кремния иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсивное восстановление кремния.  

 

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:

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe];

(P₂O₅) + 3(FeO) = (FeO)₃• P₂O₅;

(FeO)₃•P₂O₅ + 4(CaO) = (CaO)₄•P2O5 + 3(FeO);

2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄•P₂O₅ + 5Fe.

Уравнение константы можно записать в следующем виде:

K =

Откуда коэффициент распределения  фосфора между металлом и шлаком:

L = (P₂O₅)/P² = K (FeO)⁵ (CaO)⁴

 

Десульфация стали. Сера, также как и фосфор, является вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции

Fe_ж + [S] +(CaO) = (CaS) + (FeO).

Уравнение для константы имеет вид:

К =

L = (S)/[S] = K(CaO)/(FeO) - коэффициент распределения серы.

Из  уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака способствует десульфации. Положительную роль оказывает также повышение температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени удалении серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные металлы.

 

Газы в стали. Газы (кислород, водород и азот) содержаться 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  починяется закону Стивенса:

; , где p_H и p_N - парциальные давления газов; K_H и K_N - 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, флокенов¹, 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 металлов 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 - H₂ и N₂ (рис 1).

Чем энергичнее протекает кипение  металла, тем меньше содержание газов  и тем лучше качество металла. Для удаления H₂ и N₂ применяют также вакуумную обработку, продувку ванны нейтральным газом (аргоном) и др.                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Схема удаления газов изжидкого металла в процессе кипения

 

Раскисление стали. Для снижения содержания кислорода в стали проводят ее раскисление. Это, как правило, последняя и ответственная операция в процессе выплавки стали. Раскисление - это 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:

[O] + [Mn] = (MnO)

2[O] + [Si] = (SiO₂)

3[O] + 2[Al] = (Al₂O₃)

В зависимости от условий ввода раскислителей в металл различают два метода раскисления: глубинное (или осаждающее) и диффузионное раскисление.

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 раскилении раскислители в тонко измельченном виде попадают в шлак, покрывающий металл. Сначала в этом случае происходит раскисление шлака, а снижение содержания кислорода в металле происходит за счет его перехода из металла в шлак, т. е. [O] ==> (O). 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 разливки 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: [C] + [O] = {CO}.

Полуспокойная сталь - это сталь, по степени раскисленности занимающая промежуточное место между кипящей и спокойной.

Полуспокойную сталь ракисляют  частично в печи (марганцем) и затем в ковше (кремнем, алюминием).

 

Технология  производства стали

 

Производство стали  в мартеновских печах

Сущность мартеновского процесса состоит в переработке чугуна и металлического лома на паду отражательной печи. В мартеновском процессе в отличие от конвертерного не достаточно тепла химических реакций и физического тепла шихтовых материалов. Для плавление твердых шихтовых материалов, для покрытия значительных тепловых потерь и нагрева стали до необходимых температур в печь подводиться дополнительное тепло, получаемое путем сжигания в рабочем пространстве топлива в струе воздуха, нагретого до высоких температур.

Для обеспечение максимального  использования подаваемого в  печь топлива необходимо, чтобы процесс  горения топлива заканчивался полностью  в рабочем пространстве. В связи с этим в печь воздух подается в количестве, превышающем теоретически необходимое. Это создает в атмосфере печи избыток кислорода. Здесь также присутствует кислород, образующийся в результате разложения при высоких температурах углекислого газа и воды.

Таким образом, газовая атмосфера  печи имеет окислительный характер, т. е. в ней содержится избыточное количество кислорода. Благодаря этому  металл в мартеновской печи в течение  всей плавки подвергается прямому или  косвенному воздействию окислительной атмосферы.

Для интенсификации горения топлива  в рабочем пространстве часть  воздуха идущего на горение, может заменяться кислородом. Газообразный кислород может также подаваться непосредственно в ванну (аналогично продувке металла в конвертере).

В результате этого во время плавки происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте. Образующиеся при этом оксиды металлов FeO, Fe₂O₃, MnO, CaO, P₂O₅, SiO₂ и др. Вместе с частицами постепенно разрушаемой футеровки, примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак. Шлак легче металла, поэтому он покрывает металл во все периоды плавки.

Шихтовые материалы основного  мартеновского процесса состоят, как  и при других сталеплавильных процессах, из металлической части (чугун, металлический лом, раскислители, легирующие) и неметаллической части (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит). Чугун может применятся в жидком виде или в чушках. Соотношение количества чугуна и стального лома в шихте может быть различным в зависимости от процесса, выплавляемых марок стали и экономических условий.

По характеру шихтовых материалов основной мартеновский процесс делиться на несколько разновидностей, наибольшее распространение из которых получили скрап-рудный и скрап-процессы.

При скрап-рудном процессе основную массу металлической шихты (от 55 до 75 %) составляет жидкий чугун. Этот процесс широко применяется на заводах с полным металлургическим циклом.

При скрап-процессе основную массу  металлической массы шихты (от 55 до 75 %) составляет металлический лом. Чугун (25 - 45 %), как правило, применяется в твердом виде. Таким процессом работают заводы, на которых нет доменного производства.

Производство стали  в электропечах

Электросталеплавильное производство - это получение качественных и высококачественных сталей в электрических печах, обладающих существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами.

Выплавка стали в электропечах основана на использовании электроэнергии для нагрева металла. Тепло в электропечах выделяется в результате преобразовании электроэнергии в тепловую при горении электрической дуги либо в специальных нагревательных элементах, либо за счет возбуждения вихревых токов.

В отличие от конвертерного и  мартеновского процессов выделение  тепла в электропечах не связанно с потреблением окислителя. Поэтому электроплавку можно вести в любой среде - окислительной, восстановительной, нейтральной и в широком диапазоне давлений - в условиях вакуума, атмосферного или избыточного давления. Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах.

Дуговые печи бывают различной емкости (до 250 т) и с трансформаторами мощностью  до 125 тысяч киловатт.

Источником тепла в дуговой печи является электрическая дуга, возникающая между электродами и жидким металлом или шихтой при приложении к электродам электрического тока необходимой силы. Дуга представляет собой поток электронов, ионизированных газов и паров металла и шлака. Температура электрической дуги превышает 3000^о С. Дуга, как известно, может возникать при постоянном и постоянном токе. Дуговые печи работают на переменном токе. При горении дуги между электродом и металлической шихтой в первый период плавки, когда катодом является электрод, дуга горит, т. к. пространство между электродом и шихтой ионизируется за счет испускания электронов с нагретого конца электрода. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, т. к. в начале плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. При последующей перемене полярности дуга вновь возникает, поэтому в начальный период плавки дуга горит прерывисто, неспокойно.