2. Основні реакції та процеси сталеплавильного виробництва.

Поскольку сталь обычно получают из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей, особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления.

Окисление углерода

Углерод растворенный в металле может окислятся кислородом по следующим реакциям

а - [С] + {1/2О₂} = {СО} + Q кислород из газовой фазы

б - [С] + (FeО) = Fe_ж + {СО} – Q кислород из шлаковой фазы

в - [С] + [О] = {СО} + Q кислород растворенный в металле

Скорость реакции окисления углерода (реакция обезуглероживания) определяется интенсивностью подвода окислителя и условиями образования и выделения продукта реакции. Чтобы пузырек СО мог образовываться в металле, он должен преодолеть давление расположенного над ним столба металла, шлака и атмосферы, а также преодолеть силы поверхностного натяжения.

Р_со^выд. >Р_атм. + Р_шл.+ Р_Ме + Р _{пов.нат.}

Р _{пов.нат.} = 2δ/r

δ – пов. натяжение на границе металл/ пузырек

Чем глубже ванна, больше слой шлака и выше давление в агрегате тем труднее образуются пузырьки. И наоборот (вакуумирование). Последнее слагаемое исчезает на межфазных поверхностях.

Реакция окисления имеет особое значение. Образующаяся ГФ, в виде пузырьков, перемешивает ванну выравнивая химсостав и температуру металла, оказывает большое влияние на процессы удаления газов и неметаллических включений. Ее иногда называют основной реакцией сталеплавильного производства.

Окисление и восстановление фосфора

Р вредная примесь, снижающая пластические свойства особенно при низких температурах. В шихту сталеплавильного производства попадает из чугуна, лома и ферросплавов. Окисляется кислородом по следующим реакциям

а – 4/5[Р] + {О₂} = 2/5{Р₂О₅} + Q кислород из газовой фазы

б - 4/5[Р] +2(FeО) = 2[Fe_ж] + 2/5{Р₂О₅} + Q кислород из шлаковой фазы

в - [Р] + 2[О] = 2/5{Р₂О₅} + Q кислород растворенный в металле

По реакции а много тепла. Для томасовского процесса основное топливо(т.е. элементов в результате окисления которого происходит нагрев металла).

Повышение окисленности шлака благоприятствует процессам окисления Р. Для того чтобы удалить Р из металла и удержать его в шлаке, необходимо снижать активность Р₂О₅ в шлаке. это достигается при наведении основного шлака с помощью добавок извести (СаО).

2[Р] +5(FeО) + 3(СаО) = Са₃(РО₄) + 5[Fe] + Q

При продувке ванны кислородом часть железа окисляется и образующиеся оксиды железа при наличии основного шлака взаимодействует с Р. Иногда для ускорения дефосфорации в металл в струю кислорода вдувают тонкоизмельченную известь или смесь извести и желзной руды. В кислых процессах(т.е. под кислым шлаком) удалить Р невозможно, поэтому шихта должна быть очень чистой. Уменьшит активность Р₂О₅ и заставить тем самым протекать реакции слева направо можно , прибегая к смене(скачиванию) шлака. Обычно хватает одной смены шлака.

Основные условия обеспечивающие дефосфорацию металла:

1 – высокая активность окислов железа в шлаке

2 – высокая основность шлака

3 – наличие шлаков, содержащих мало Р (скачивание)

6. - пониженные температуры.

Если в какой то момент плавки эти условия не будут соблюдены, то происходит обратное восстановление Р из шлака в металл (рефосфорация Ме).

Правило: основные окисленные шлаки и пониженные Т.

Удаление серы(десульфурация металла)

Сера вредная примесь, вызывает красноломкость стали, особенно при непрерывной разливке стали(горячие трещины). Поэтому в большинстве случаев удаление из Ме серы – одна из главных задач сталеплавильщика. Сера – ПАВ, это приводит к тому, что концентрация серы на поверхности раздела фаз больше, чем в объеме. Поэтому наибольший эффект дает применение таких методов ведения плавки, которые обеспечивают увеличение поверхности контакта Ме с обессеривающей фазой (исскуственное перемешивание Ме со шлаком, вдувание в металл тонкоизмельченных порошкообразных реагентов.

Элементы десульфураторы - Mn, Mg, Na, Ca, а также редкоземельные элементы (Се). Самый дешевый и распространенный – известь.

Основной источник серы – чугун, лом(особенно замасленная стружка), добавочные материалы, а также атмосфера печи(если печь отапливается мазутом, газом).

В сталеплавильном агрегате удаление серы происходит в основном по следующей реакции

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

если в шлаке много МпО

[FeS] + (MnO) = (MnS) + (FeO)

CaS и MnS практически не растворимы в Ме

В результате реакции (S)растет, а [S] уменьшается.

Отношение (S)/ [S] называется коэффициентом распределения серы. Чем он больше тем лучше.

Значение этого коэффициента растет с ростом Т, т.к. повышается скорость диффузии серы.

Таким образом удалению серы из металла способствуют:

• основные шлаки с высокой активностью СаО

• низкая окисленность Ме(минимум [O]) и низкая окисленность шлака(мин. (FeO))

• низкая концентрация серы в шлаке (скачивание)

• Перемешивание Ме со шлаком и увеличение поверхности контакта.

• Повышение температуры сталеплавильной ванны.

При продувке Ме кислородом возможна следующая реакция

[S] + {O₂} = {SO₂}

Однако основная часть серы удаляется со шлаком.

Правило: Основные восстановительные шлаки и высокие температуры.

Газы в стали

Водород, кислород, азот.

Неметаллические включения

Ухудшают механические свойства, электропроводность, магнитные свойства и т.д.

Существует 2 группы включений

1 – эндогенные, образующиеся в процессе передела

2 – экзогенные, механически попадающие в сталь.

Большинство неметаллических включений удаляется во время плавки и при кристаллизации.

2. Раскисление и легирование стали

Раскисление

Технологическая операция, при которой растворенный в Ме кислород переводится в нерастворимые в Ме соединения – раскисление. Раскисленная сталь при разливке и застывании в слитке ведет себя спокойно, из нее практически не выделяются газы – спокойная сталь.

Если сталь не раскислена она при разливке кипит за счет пузырьков СО

[C] + [O] = {CO}

Такую сталь называют кипящей.

В некоторых случаях раскисление ведут не полно – полуспокойная сталь.

Способы раскисления:

- глубинное(или осаждающее)

• диффузионное

• обработка синтетическим шлаком

• обработка вакуумом

Глубинное. (раскислитель вводят в глубину Ме)

Заключается в переводе растворенного в Ме кислорода в нерастворимый оксид введение элемента – раскислителя (сродство у которого к кислороду больше чем у железа). В результате получается нерастворимый в металле оксид который всплывает в шлак. Для этого используют ферросплавы, чаще Мп и кремния, аллюминий, редкоземельные элементы и др.

[Mn] + [O] = (MnO) 2[Ce] + 3[O] = (Ce₂O₃)

Марганец слабый раскислитель, кремний более сильный, а алюминий, кальций и серий практически полностью удаляют кислород. Все эти реакции экзотермические и поэтому при понижении температуры процессы образования оксидов продолжаются, но всплыть им уже тяжело. Поэтому нельзя получить сталь чистую по неметаллическим включениям. Обычно раскислители вводят в конце плавки. Большую часть стали раскисляют этим способом. Если хотят получить особо чистую сталь используют другие способы.

Для каждой марки стали своя технология раскисления. Достоинства дешевизна и простота.

Диффузионное. Здесь раскислению подвергается шлак. Если металл не кипит то выполняется соотношение

a_(FeO)/a_[O] = const

Поэтому любой способ уменьшения a_(FeO) приводит к раскислению Ме. При этом способе высок угар раскислителя, поскольку он вводится на шлак, а атмосфера в печи чаще всего окислительная. Достоинства – продукты раскисления в шлаке а не в металле, поэтому Ме чище по примесям.

Обработка синтетическими шлаками в ковше. Разновидность дифффузионного. Но с большей скоростью. Потому, что Ме выливаясь дробится на мелкие капли и взаимодействует со шлаком не содержащим оксидов железа, кроме того идет перемешивание шлака и Ме.

Обработка вакуумом. В ковше понижается давление и Ме как бы кипит. При этом удаляется также азот и водород.

Легирование

Это процесс присадки в сталь элементов, чтобы придать ей любые физико-химические или механические свойства. Эту операцию могут совмещать с раскислением.

В зависимости от сродства к кислороду легирующие делятся на 2 большие группы.

1 – никель, кобальт, молибден, медь – сродство к кислороду у них мало, и в условиях плавки они не окисляются и, поэтому могут вводится в любой момент, чаще всего в начале вместе с шихтой.

2 – кремний, марганец, алюминий, ванадий, хром, титан имеют большое сродство к кислороду(больше чем у железа) и во время плавки они будут окислятся (угорать). Поэтому их вводят либо в конце плавки, либо в ковш при разливке

Иногда для легирования и раскисления стали используют экзотермические брикеты (смесь оксида и восстановителя). При введении таких брикетов металл не охлаждается потому, что реакции восстановления дают тепло.

Лекция № 6 (1 час)

МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

.ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Строение мартеновской печи.

2. Шихтовые материалы

3. Общая характеристика мартеновского процесса

4. Утилизация отходящих газов

ВВЕДЕНИЕ

1864г. Пьер Мартен. Мартеновскую сталь получают на поду пламенной отражательной печи, снабженной регенераторами. В печь загружают шихту (чугун, скрап,металлический лом и др.компоненты),которая под действием факела сжигаемого топлива постепенно плавится После расплавления в ванну вводят различные добавки с тем,чтобы получить металлнужного состава и температуры, затем готовый металл выпускают в ковш и разливают.