Основы современного сталеплавильного производства


( Голосов: 1 ) 
Основы современного сталеплавильного производства

Сталью называют деформируемый сплав железа с углеродом и другими примесями. Содержание углерода в стали обычно не превышает 1,3 %. Получение железа в чистом виде представляет собой дорогостоящий процесс, и чистое железо используют для специальных целей. В технике и быту используют преимущественно сталь.

Сталеплавильный процесс

Сталеплавильный процесс представляет собой сложную систему, в ходе которого выделяется или поглощается теплота, достигается или нарушается равновесие протекающих реакций, происходят другие энергетические процессы.

Для характеристики состояния системы используют величины, называемые параметрами состояния. Параметрами состояния являются давление, объем, концентрация, температура. Величины, характеризующие процесс или изменение системы, связанное с изменением параметров состояния, называют параметрами процесса. Ими являются:

  • тепловой эффект реакции, Q;
  • изменения свободной энергии, ΔG или изменение изобарного потенциала;
  • изменение энтропии, ΔS;
  • изменение энтальпии, ΔH;
  • изменение давления, ΔP.

В сталеплавильной практике обычно приходится иметь дело с процессами, протекающими при постоянном давлении. Поэтому при буквенных символах параметров ставят индекс Р (давление). Например, Qр – тепловой эффект при постоянном давлении, Кр – константа равновесия процесса и так далее.

Характеристикой возможности протекания процесса служит величина изменения свободной энергии системы ΔG=ΔH - TΔS

Если величина ΔG меньше нуля, то при данной реакции выделяется энергия, идет самопроизвольный процесс. Если величина ΔG равна нулю, то это означает, что реакция достигла состояния равновесия. Если же величина ΔG больше нуля, то это значит, что самопроизвольный процесс протекать не может, и реакция протекает в обратном направлении.

Величина константы равновесия Кр характеризует в какой степени реакция протекает в ту или иную сторону. Величина ΔG и Кр связаны между собой соотношением:

ΔG=ΔH-TΔS

Можно записать

-RT*lnKp=ΔH−TΔS

R*lnKp=ΔS−ΔH/T

Следовательно, чем больше ΔS и чем меньше ΔН, тем полнее протекает реакция и чем выше температура, тем большее значение величины ΔS (выше энтропийный фактор) и меньшее величины ΔН (энтальпийный фактор).
В сталеплавильных агрегатах в большинстве случаев реакции протекают в растворах или с образованием растворов. Металл и шлак представляют собой растворы. Свойства же веществ в растворах отличаются от их свойств в чистом виде. Обычно для реакций в растворах значения концентраций компонентов заменяют значениями активностей этих компонентов в данном растворе. Активность компонента x обозначается ах и связана с концентрацией компонента соотношением:

axx*Nx

где Nх – молярная концентрация компонента,
γx – коэффициент активности.
При рассмотрении реакций, в которых компонент растворен в металле, принято обозначать его в квадратных скобках. Например, углерод [С], раство-ренный в металле, марганец, растворенный в металле [Mn], и так далее. В тех случаях, когда речь идет о концентрации компонента в шлаке, используют кру-глые скобки. Например, (MnO), (FeO). И реакция, происходящая между раство-ренным марганцем в металле и растворенным оксидом железа в шлаке запи-шется в виде:

[Mn]+(FeO)=(MnO)+ Feж

Основными материалами для производства стали являются:

  • передельный чугун;
  • стальной лом (скрап).

Состав стали отличается от чугуна пониженным содержанием углерода и примесей (таблица 2).

Таблица 2- Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Материал Состав, %
С Si Mn P S

Передельный чугун

4-4,4 0,75-1,25 До 1,75 0,15-0,3 0,03-0,07

Сталь низкоуглеродистая

0,15-0,2 0,12-0,30 0,40-0,65 0,05 0,055

Поэтому сущностью передела чугуна в сталь является снижение содержа-ния углерода и примесей путем окисления их и удаления в шлак. В сталеплавильной практике особое значение имеют реакции окисления. Кислород для протекания этих реакций поступает из атмосферы, из железной руды или при продувки ванны кислородом.

Окисление углерода

Углерод, растворенный в металле, окисляется с образованием газа (СО) по реакциям:

[С]+1/2 О=СОг

кислородом, содержащимся в газовой фазе,

[С]+(FeO)=Feж+ СОг

кислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,

[C]+[O]=COг

кислородом, растворенным в металле.

Повышение температуры во всех случаях благоприятствует протеканию реакции окисления углерода. Реакция окисления углерода занимает особое место в сталеплавильном производстве. Дело в том, что образующаяся при окислении углерода газовая фаза в виде пузырьков СО перемешивает ванну, выравнивает состав и темпе-ратуру металла, способствует процессу удаления газов и неметаллических включений.

Окисление кремния

Растворенный в металле кремний может окислятся по реакциям:

[Si]+O=(SiO2)

кислородом, содержащимся в газовой фазе,

[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Feж

кислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,

[Si]+2[O]=SiO2

кислородом, растворенным в металле.

Эти реакции сопровождаются выделением большого количества тепла. При повышении температуры могут создаваться благоприятные условия для обратного восстановления некоторого количества кремния, когда в кислых про-цессах активность SiO2 в шлаке высока, а окисленность шлака мала. Повышение окисленности шлака способствует процессам окисления и удаления кремния и препятствует его восстановлению. Восстанавливать кремний из кислого шлака могут углерод, марганец, железо.

Окисление марганца

Марганец, растворенный в металле может окисляться по реакциям:

[Mn]+1/2O=(MnO)

кислородом содержащимся в атмосфере,

[Mn]+(FeO)=(MnO)+Feж

кислородом, содержащимся в оксиде железа шлака,

[Mn]+[O]=(MnO)

кислородом, растворенным в металле.

При повышении температуры плавки существует возможность протекания обратного процесса-восстановления марганца и перехода в металл. Марганец могут восстанавливать углерод, кремний, железо.
Температура, при которой прекратится окисление марганца и начнется его восстановление, зависит от состава металла и шлака. При кислом процессе закись марганца (MnO) вступает во взаимодействие с кислотными оксидами шлака и активность ее в кислом шлаке ниже, чем в основном. Поэтому в кислом процессе марганец окисляется легче и более полно, а восстанавливается менее полно, чем в основном.
На процессы окисления и восстановления марганца оказывает также вли-яние окисленность шлака. Чем выше окисленность шлака, тем полнее окисляется марганец и тем более высокая температура требуется для его восстановления.

Окисление фосфора

Фосфор является вредной примесью, ухудшает механические свойства стали при температурах ниже 0 °C и вызывает явление, называемое хладноломкостью. Фосфор попадает в сталь в основном из чугуна, так как в процессе доменной плавки он восстанавливается и переходит в чугун. Фосфор, растворенный в металле, может окислятся по реакциям: 

4/5[P]+O=2/5(P2O5)
кислородом, содержащимся в атмосфере,

4/5[P] + (2FeO) = 2/5(P2O5)*2Feж

кислородом, содержащимся в оксидах железа шлака,

4/5[P]+2[O]=2/5(P2O5),
кислородом, растворенным в металле.

При повышении температуры могут создаться благоприятные условия для восстановления фосфора и перехода его снова в металл. Для того, чтобы удалить фосфор из металла и удержать его в шлаке, необходимо снижать активность Р2О5 в шлаке, путем наведения основного шлака с помощью добавок извести. При взаимодействии металла со шлаком, содержащим оксиды железа и кальция, протекает реакция:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO)4*(P2O5)

Образующееся прочное соединение )OP()CaO(524⋅связывает фосфор и пе-реводит его в шлак даже при высоких температурах.

Уменьшить активность Р2О5 в шлаке и тем самым способствовать удалению фосфора из металла можно путем смены шлака. Шлак, содержащий какое-то количество фосфора, близкое к равновесному с металлом, удаляют из агрегата (скачивают), а вместо него с помощью добавок, не содержащих фосфор, наводят новый шлак. После такой операции некоторое количество фосфора из металла переходит в новый шлак, пока не установится состояние, близкое к равновесию. Операцию скачивания и замены его новым шлаком можно проводить несколько раз до тех пор, пока в металле не останется очень мало фосфора. Такой метод используют при необходимости получить очень низкие концентрации фосфора в металле.

Удаление серы

Сера является вредной примесью, придает металлу крас-ноломкость, связанную с выделением при кристаллизации стали в межзеренном пространстве сульфидов железа, которые с железом образуют эвтектику, плавя-щуюся при температурах ниже 1000 °С. Слиток стали, содержащий большое количество серы, разрушается при горячей пластической обработке (ковка, штамповка, прокатка). При этом про-слойки, разобщающие зерна стали, находятся в жидком состоянии и способст-вуют разрушению металла при его деформации. Поэтому в большинстве случаев одной из главных задач при выплавке стали является удаление из металла серы.
В сталеплавильном агрегате удаление серы из расплавленного металла в шлак происходит в результате реакции:

Fe+[S]+CaO=(CaS)+(FeO)

Образующийся при реакции сульфид кальция CaS нерастворим в металле. Реакция протекает на поверхности раздела фаз (металл-шлак) и увеличение этой поверхности (перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл CaO в виде порошка и другие способы) ускоряет эту реакцию и способствует более полному удалению серы. Если шлак, кроме СаО, содержит много MnO, то возможно удаление серы по реакции:

Fe+[S]+(MnO)=(MnS)+(FeO)

Образующийся сульфид марганца MnS почти нерастворим в металле и пе-реходит шлак. Скачивание шлака и наведение нового (чистого по сере) шлака также спо-собствует переходу новых порций серы из металла в шлак. Таким образом, для удаления примесей в плавильном агрегате для каждой из них создают определенные условия, проводя выплавку стали в несколько этапов.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий