Какие физико-химические процессы происходят в сталеплавильной печи?

Сталь нельзя сразу получить из железной руды. Обязательно сначала получают чугун, а затем из него можно выплавить сталь. Однако при выплавке стали используют в небольшом количестве железную руду. Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Выплавка сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, и выливание его из печи в ковш для разливки в машине непрерывного литья заготовок. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различными.

Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи.

После окончания периода расплавления начинается окислительный период, задачи которого заключаются в следующем: окисление избыточного углерода, окисление и удаление фосфора; дегазация металла; удаление неметаллических включений, нагрев стали. Окислительный период плавки начинают присадкой железной руды, которую дают в печь порциями. В результате присадки руды происходит насыщение шлака FeO и окисление металла по реакции: (FeO)=[Fe] + [O]. Растворенный кислород взаимодействует с растворенным в ванне углеродом по реакции [C] +[O]=CO. Происходит бурное выделение пузырей CO, которые вспенивают поверхность ванны, покрытой шлаком. Поскольку в окислительный период на металле наводят известковый шлак с хорошей жидкоподвижностью, то шлак вспенивается выделяющимися пузырями газа. Уровень шлака становится выше порога рабочего окна и шлак вытекает из печи. Выход шлака усиливают, наклоняя печь в сторону рабочего окна на небольшой угол.

Для протекания реакции окисления фосфора 2[P] + 5[O]=(P₂О₅);

(P₂О₅) + 4(СаО) = 4(СаО) × (P₂О₅) необходимы высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание окиси кальция в шлаке и пониженная температура. В электропечи первые два условия полностью выполняются. Выполнение последнего условия обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака, так как шлак, насыщенный 4(СаО) × (P₂О₅) скачивается из печи. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали – удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл. Выделение пузырьков СО сопровождается также и удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и состава. Общая продолжительность окислительного периода составляет от 1 до 1,5 часов.

После скачивания окислительного шлака начинается восстановительный период плавки. Задачами восстановительного периода плавки являются: раскисление металла, удаление серы, корректирование химического состава стали, регулирование температуры ванны, подготовка жидкоподвижного хорошо раскисленного шлака для обработки металла во время выпуска из печи в ковш. Раскисление ванны, т.е. удаление растворенного в ней кислорода, осуществляют присадкой раскислителей в металл и на шлак.

При введении раскислителей происходят следующие реакции:

[Mn]+[O]=(MnO); [Si]+2[О] = (SiO₂); 2[Al]+ 3[O]=(Al₂О₃).

Процесс получения стали в мартеновской печи делится на три периода.

Первый период — плавление — начинается вскоре после начала загрузки. После окончания загрузки расплавление идет интенсивнее, так как уменьшаются потери тепла.

Во время плавления надо вводить в печь наибольшее количество тепла. Это предохранит металл от растворения в нем газов и от излишнего окисления.

Период плавления характеризуется окислительными реакциями: окисляются кремний, марганец, железо, фосфор.

Одновременно образуется большое количество закиси железа FeO, которая является основным окислителемпримесей — кремния, марганца, фосфора.

Второй период — окисление — характеризуется энергичным окислением углерода за счет FeO. Это окисление протекает по реакции

С + FeO= СО + Fe— Q

Образующиеся при этом газы, стремясь вырваться из ванны, приходят в состояние кипения, поэтому второй период плавки называют периодом кипения. Выгорание углерода длится 2—3 часа. По получении требуемого процента углерода заканчивается второй период плавки.

Третий период — раскисление. Цель раскисления та же, что и в конверторе, и применяются те же раскислители: ферросилиций, ферромарганец, алюминий. Более тяжелые раскислители загружают прямо в печь, более легкие — в желоб или в ковш. Иногда для проверки раскисленности стали делают пробу. Застывший раскаленный кусок стали подвергают ковке; при плохой раскисленности образуются трещины.

Кислородные конвертеры

В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа. Окисление примесей жидкого чугуна — углерода, кремния и марганца можно представить следующими итоговыми реакциями: [С] + 1/2O2 = СО;

[Si] + O2 = (SiO2); [Mn] + 1/2O2 = (MnO).

Окисление большей части примесей протекает по более сложной схеме - первоначально в зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо: Fe + 1/2O2 = FeO; его окисление объясняется тем, что концентрация железа в несколько десятков раз больше концентрации других элементов, и поэтому с вдуваемым кислородом прежде всего контактируют атомы железа. Образующийся оксид FeO растворяется частично в металле: FeO = [О] + Fe и частично в шлаке: FeO +(FeO) и уже за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие жидкого чугуна. Соответственно окисление, например, углерода идет по следующим схемам: Fe + 1/2O2 = FeO; Fe +1/2O2 = FeO; FeO = [О] + Fe; FeO = (FeO); [C] + [O] = CO; [C] + (FeO) = CO + Fe.