Производство стали
Сталь является материальной основой промышленного производства и строительства, важнейшим продуктом черной металлургии. В сравнении с чугуном она имеет боле высокие механические свойства, ее можно обрабатывать давлением; многие сорта стали, в расплавленном состоянии обладают достаточной жидкотекучестью для получения фасонных отливок.
Основная масса стали (до 90-92 %) подвергаются обработке давлением (прокатке, прессованию, ковке, штамповке). Стальные изделия получают также из порошков.
Шихтовыми материалами для плавки стали являются жидкий или твёрдый чугун, стальной и чугунный лом, стружка, обрезки (скрап), железорудные окатыши, ферросплавы (перечисленные материалы называют металлошихтой); известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, марганцевая руда, кварцевый песок (флюсы); железная руда, окалина, агломерат, кислород, воздух (окислители). Отнесение перечисленных материалов к группам металлошихты, флюсов и окислителей сделано в соответствии с основным их назначением; многие из материалов одной группы содержат элементы другой (например, в окалине, боксите есть железо, в скрапе – кислород и т. п.)
Задача передела чугуна в сталь состоит в том, чтобы из чугуна удалить избыток углерода, кремния, марганца и других примесей. Особенно важно при этом удалить вредные примеси серы и фосфора, придающие стали хрупкость. Углерод чугуна, соединяясь с кислородом, превращается в газ (оксид углерода CO), который улетучивается. Другие примеси переходят в различные соединения, нерастворимые или малорастворимые в металле; эти соединения вместе с флюсами образуют на поверхности металла шлак.
При окислении марганец и кремний образуют оксиды MnO и SiO2, нерастворимые в металле. Образующийся оксид фосфора P2O5 в соединение (CaO)4 · P2O5, нерастворимое в металле. Непосредственным окислителем примесей в процессе производства стали является оксид железа FeO, растворенный в металле.
Сера растворена в чугуне в составе соединения FeS, ее удаляют с помощью марганца или извести, которые образуют с ней или плохо растворимые в металле соединения MnS или нерастворимое соединение CaS, переходящие в шлак. Конечной операцией процесса выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из FeO). Для легированной стали, раскисление обычно совмещают с легированием.
В металлургии в основном применяют следующие способы получения стали: кислородно-конвертерный, в мартеновских и двухванных печах и электротермический.
Производство стали в кислородных конвертерах
В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы при продувке кислородом сверху и в последние годы – при продувке через днище. Их преимуществами является высокая производительность, которая обеспечивается интенсивностью процессов окисления элементов, а также меньше по сравнению с мартеновскими цехами затраты на строительство. В кислородных конвертерах могут выплавлять как углеродистые, так и легированные стали.
Основным шихтовым материалом кислородно-конвертерного процесса является жидкий передельный чугун, источником тепла при выплавки стали являются химические экзотермические реакции окисления элементов при продувке жидкого чугуна кислородом.
Кислородные конвертеры делятся на стационарные и вращающиеся. В СССР применяют стационарные конверторы с глухим дном и конвертеры с донной продувкой вместимостью от 100 до 400 т.
Стационарный конвертер имеет два бандажа, каждый из которых опирается на два ролика. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры выкладываются смолодоломитовым кирпичом. Летка предназначена для слива готовой стали и способствует лучшему отделении стали от шлака и уменьшению восстановления фосфора из шлака при сливе.
В конвертер сначала загружают скрап, далее заливают чугун, затем засыпают известь, а также боксит, железную руду и окалину (если нужно), после чего производят продувку, взятие проб, их анализ, а затем слив металла и шлака.
Кислород под давлением 900 – 1000 кПа подается через водоохлаждаемую фурму, часть его проникает в металл, а оставшийся кислород растекается по поверхности ванны. Залитый в конвертер чугун содержит около 93 % железа, поэтому проникающий в чугун кислород преимущественно окисляет железо:
Fe + 1/202 → FeO + ∆H.
С началом продувки в конвертере сразу образуются две несмешивающиеся между собой жидкости – металл (плотность 7,8 г/см3) и шлак (плотность около 2,5 г/см3), находящиеся в непосредственном контакте и взаимодействии.
Часть оксида железа остается в металле, часть его переходит в шлак, при этом как в металле, так и в шлаке оксид железа реагирует с другими элементами и соединениями, однако в шлаке и металле распределение оксида железа постоянно при данной температуре; это называется константой распределения LFeO:
LFeO= FeO вмет.= const.
Следовательно, при уменьшении массового содержания FeO в шлаке соответственно уменьшается его массовое содержание и в металле.
Оксид железа, находящийся в металле, вступает во взаимодействие с примесями в чугуне, к которым кислород имеет большое сродство, чем к железу:
2FeO + Si → 2Fe +SiO2 + ∆H
FeO + Mn → Fe + MnO + ∆H
Фосфор выгорает по реакции:
5FeO + 2P → P2O5 + 5Fe + ∆H
Оксид фосфора растворяется в металле и в шлаке со своей константой распределенияLPO наподобие оксида железа:
LP O =P O вмет.= const
Углерод выгорает по реакции:
FeO + C → Fe + CO - ∆H
Оксид углерода СО пузырьками выходит из жидкой ванны, частично сгорает, реагируя с кислородом, растекающимся по поверхности ванны:
CO + 1/2O2 → CO2 + ∆H
Разогрев ванны способствует растворению извести, боксита и оксидов железа, в результате образуется активный основной шлак с избытком свободного оксида кальция, который связывает фосфор в нерастворимое в металле соединение:
P2O5 + 4 CaO → (CaO)4 P2O5 + ∆H
При переработке высокофосфористого чугуна, для того чтобы предотвратить обратный переход фосфора из шлака в металл, шлак, обогащенный фосфором, сливают и вновь загружают известь. Фосфористый шлак используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.
Горячий высокоизвестковистый шлак в конвертере дает возможность шлаковать фосфор раньше, чем выгорает углерод. Известь обеспечивает также шлакование серы по реакции:
FeS + CaO → FeO + CaS + ∆H
Эта реакция идет на границе раздела шлак – металл. Перегретый активный основной шлак обеспечивает удаление значительной части серы из металла, в результате чего ее массовое содержание может быть доведено до 0,015%
Увеличение производительности кислородных конвертеров достигается не только путем увеличения вместимости, но также за счет интенсивности продувки при внедрении автоматического управления и контроля плавки и использованием ЭВМ.
В конвертерах с донным дутьем выход стали больше за счет увеличения присадки скрапа по сравнению с конвертерами с верхним дутьем.
За последнее время на металлургических заводах построено несколько крупных кислородно-конвертерных цехов. Строительство таких цехов будет продолжаться, а удельный вес производства стали, в мартеновских печах значительно сократится.
Легированные стали и сплавы
Прочность, вязкость, жаро- и хладостойкость, а также коррозионная стойкость углеродистых сталей являются недостаточными для многих высоконагруженных деталей машин и строительных конструкций; инструменты из углеродистой инструментальной стали тверды, но не выдерживают повышенной скорости резания, так как размягчаются при нагреве уже до температуры 250 0C, кроме того, они хрупкие. Прокаливаемость углеродистой стали также невелика в связи с большой критической скоростью закалки, в результате этого на мартенсит закаливается только поверхностный слой заготовки, а внутренние слои закаливаются лишь на троостит или сорбит, а у заготовок больших размеров остаются вовсе не закалёнными. Таким образом, углеродистая сталь часто не отвечает повышенным требованиям машиностроения и инструментального производства.
Вводимые в сталь легирующие элементы улучшают ее механические, физические и химические свойства. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом при массовом содержании более 1 %, а кремний – более 0,8 %. Большинство легированных сталей приобретают высокие физико-механические свойства лишь после термической обработки.
Легированную сталь классифицируют по следующим признакам:
числу введённых легирующих элементов;
суммарному массовому содержанию легирующих элементов;
характеру взаимодействие легирующих элементов с железом и с углеродом;
структуре в отожженном и нормализированным состояниях;
качеству;
назначению и применению.
Число введённых легирующих элементов. Если введён один легирующий элемент, то сталь называют по этому элементу, такую сталь называют также тройной, так как она содержит железо, углерод и легирующий элемент (постоянные примеси не считаются). Из тройных легированных сталей применение находят хромовая, марганцевая и кремнистая стали.
Если сталь легирована двумя, тремя и более элементами, то она является сложнолегированной (комплексно-легированной) и её называют по введённым легирующим элементам (например, хромомарганцевой, хромомолибденовой, хромоникелевой, сернистомарганцевой, хромокремнистованадиевой). Хром, кремний и марганец присутствуют в большинстве легированных сталей, остальные легирующие элементы вводят (за исключением сплавов с особыми свойствами) чаще всего в сочетании с ними. При комплексном легировании получение нужных свойств достигается полнее и при меньшем общем массовом содержании легирующих элементов.