1 Основные понятия и определения

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерод содержится от сотых долей до 2 %. Помимо этого, в стали содержатся также марганец, кремний, сера, фосфор и другие химические элементы.

Металлургией стали называется наука о способах получения стали с заданными свойствами в количествах, имеющих промышленное зна­чение.

Сталь является основным конструкционным материалом, поскольку:

1. обладают такими полезными свойствами, как способность к упру­гим и пластическим деформациям, высокая прочность, электрическая проводимость, теплопроводность и другие особенности.
2. Железо, являющееся основой стали имеет значительное распространение в земной коре (5,9 %) в виде железосодержащих минералов, называемых рудами и сравнительно легко извлекается из руд.

Таким образом, можно сказать, что на ближайший обозримый период времени сталь останется основным конструкционным материалом.

1.1 Основные этапы развития сталеплавильного производства

Металлургия стали как производство возникла около 3,5 тыс. лет назад в северной Африке (Египет, Сирия). В процессе развития сталеплавильнго производства основные агрегаты для выплавки стали и технология производства претерпели значительные изменения: прямое получение железа из руды в сыродутных горнах с получением кричного железа, получение стали окислительным плавлением чугуна на поду специ­альной пудлинговой печи (от англ. puddle — месить, перемешивать), тигельный процесс, конвертерный и мартеновский процессы, электрометаллургия стали, переплавные процессы (вакуумно-индукционный переплав (ВИП), вакуумно-дуговой (ВДП), электрошла­ковый (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), плазменно-дуговой ПДП и др.), внепечная обработка стали.

В настоящее время мировое производство стали достигает примерно 750 млн. т. основными способами производства являются кислородно-конвертерный ( 50%), электросталеплавильный (~20%) и мартеновский (<30%); ~ 2% ста­ли производят в электропечах с использованием материалов, полученных на уста­новках прямого восстановления.

При мартеновском, конвертерном и электродуговом способах производства стали получение металла осуществляется в две стадии: 1) восстановление в домен­ных печах железа из руды, т.е. получение чугуна; 2) окисление в сталеплавильных агрегатах углерода, кремния, марганца, фосфора, удаление серы, т.е. получение из чугуна стали требуемого состава.

1.2 Классификация сталей

Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнооб­разны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, харак­теру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

По способу производства сталь может быть тигельной, кислой и основной мартеновской, бессемеровской, томасовской, кон­вертерной, электросталью, электрошлакового переплава и получен­ной другими способами.

Рекомендуемые материалы

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовле­нии различных металлоконструкций (для строительства здании, мостов, различных машин и т. п.).

2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, при­меняемая для изготовления паровых котлов и топок.

3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая марте­новская и конвертерная сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.

4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.

5. Инструментальная сталь применяется для изготовления раз­личных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.

Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электро­технические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудий­ные, снарядные, броневые, трубные стали и др.

По качеству стали обычно делят на следующие группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Раз­личия между этими группами заключаются в допускаемом содержа­нии вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений. Например, в сталях обыкновенного качества содержание серы и фос­фора не должно превышать 0,055—0,060, в качественных сталях — не более 0,040—0,045, в высококачественных — не более 0,020— 0,030 % (в некоторых случаях содержание серы и фосфора допу­скается в очень низких пределах: 0,010 и даже 0,005 %).

По химическому составу различают:

1) сталь с низким содержанием примесей, или так называе­мое технически чистое железо, так как суммарное содержание других элементов составляет всего лишь около 0,1%;

2) Углеродистая сталь — сталь, не содержащая легирующих компонентов (кроме углерода). В зависимости от назначения эта сталь подразделяется на  низкоуглеродистую (0.25 % С); среднеуглеродистую (0,25- 0,60 % С); высокоуглеродистую (0,6-2,0 % С).

3) Легированная сталь — сталь, содержащая, помимо углерода, другие легирующие компоненты, которые в свою очередь делят на низколегированные стали (до 10 % ЛЭ); средне (10-20% ЛЭ) и высоколегированные стали (более 20%)..

Для легированных сталей применяются следующие буквен­ные обозначения элементов: углерод – У; марганец — Г; кремний — С; ни­кель — Н; вольфрам — В; молибден — М; хром — X; ванадий — Ф; алюминий — Ю; титан — Т; медь — Д;

В обозначении легированных марок стали применяют в определенных сочетаниях цифры и буквы. Принцип маркировки стали: цифры до букв означают содер­жание углерода в сотых долях процента (если менее 0,08 %, то 0), буквы — наименование легирующего элемента, а цифра после букв—содержание леги­рующего элемента в процентах (если оно превышает 1,5 %).

Марки конструкционной стали обыкновенного качества обозначают следующим образом: Ст0, Ст1, Ст2 и т.д. Обозначениями качествен­ных конструкционных сталей служат: 10, 20, 45 и т. д. Качественная углеродистая сталь обозна­чается У7, У8, ..., У12, где буква У — углеродистая, а цифра — содер­жание углерода в десятых долях процента.

Стали специального назначения обозначаются следующим образом: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая инструментальная сталь, Ш - подшипниковые стали, Э - электротехнические стали, Е - для посто­янных магнитов,  ЭП - экспериментальные стали.

В зависимости от микроструктуры стали бывают перлитные, мартенситные, аустенитные или ферритные.

По  степени  раскисленности: спокойные, кипя­щие и полуспокойные. Поведение металла в изложницах зависит от степени его раскисленности — чем полнее раскислена сталь (удален кислород), тем спокойнее кристаллизуется слиток (раскислением стали называют процесс удаления из металла растворенного в нем кислорода). Так, например, в результате обильного газовыделения кипящая сталь при кристаллизации в изложнице кипит (отсюда название стали). Наоборот, спокойная сталь кристаллизуется без видимых эффектов, спокойно.

1.3 Сталеплавильные шлаки

Шлак, представляющий собой сплав оксидов, сульфидов, нитридов, фосфидов, карбидов и др. соединений и является неизбежным побочным продук­том любого современного способа производства стали в открытых агрегатах.

Образование шлака обусловлено:

1. во-первых, с обязательным окислением элементов металлической фазы во время плавки и образованием при этом различных нелетучих (шлакообразующих) оксидов, имеющих меньшую плотность, чем металл, и собирающихся на поверхности металла;

2. во-вторых, с неизбежным разрушением футеровки в условиях высоких температур под дей­ствием оксидов, образующихся в результате окисления компонен­тов металлической фазы.

3. в-третьих, попаданием в ванну оксидов извне с неметаллическими шихтовыми материалами (флюсов и твердых окислителей), загрязне­ниями (мусора) лома и миксерного или доменного шлака.

Источники образования шлака

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома — кремния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (SiO₂, MnO, Р₂О₅, FeS, MnS, Сr₂О₃ и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата — при разъедании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак переходят СаО, MgO, при разъедании кислой (динас) — SiO₂.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), —SiO₂, Аl₂О₃, MnS и т.п.

4. Ржавчина, покрывающая заваливаемый в сталеплавильные агрегаты лом, — оксиды железа.

5. Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, боксит, плавиковый шпат, железная и марганцевая руды и т.п.) — СаО, Аl₂О₃, SiO₂, FeO, Fe₂О₃, MnO, CaF₂ и т. п.

Роль шлаков противоречива, поскольку она может быть как полезной (положительной), так и вредной (отрицательной).

Положительное значение шлаков состоит в способности погло­щать фосфор (дефосфорация) и серу (десульфурация) из метал­ла. Такими свойствами обладают только основные шлаки, в кото­рых преобладает содержание основных оксидов, прежде всего СаО.

В подовых процессах, т. е. в процессах, осуществляемых в мартеновских, двухванных и электродуговых печах, положительная роль шлаков выражается также в защите металла от поступающих из атмосферы печи вредных примесей, главным образом газов.

Отрицательное значение шлаков в основном выражается в следующем: 1) разрушающем действии на футеровку агрегата; 2) увеличении потери (угара) полезных примесей в процессе окис­лительного рафинирования, а также раскисления и легирования; 3) увеличении потери железа в виде оксидов и корольков, содер­жащихся в шлаке. Указанные отрицательные действия шлаков на ход и результаты плавки в той или иной степени проявляются в любых сталеплавильных процессах. Установление оптимального шлакового режима плавки должно означать обеспечение возможно большего проявления положительной их роли и меньшего - отри­цательной.

Состав шлаков

Строение шлаков и их основные физико-химические свойства определяются содержанием в них различных оксидов, которое услов­но принято называть химическим составом шлака.

Шлаки, в которых преобладают основные окислы (CaO, MgO, MnO, FeO), называют основными шлаками, а шлаки, в которых преобладают кислотные окислы (SiO₂, P₂О₅)— кислыми шлаками. В зависимости от характера шлаков и процессы называют основными или кислыми (например, основной мартеновский процесс, кислый мар­теновский процесс). Если футе­ровка выполнена из кислого (кремнеземистого) материала, то шлак должен быть также кислым, т. е. главным компонентом должен быть SiO₂, иначе разрушающее действие шлака на футеровку может оказаться очень значительным. В агрегатах, имеющих основную (магнезитовую или доломитовую) футеров­ку, плавку можно вести только под основными шлаками, глав­ным компонентом которых является CaO.

Хими­ческие свойства шлаков:

1. Основность шлака

Существует множество показателей характеризующих основность шлака, но любая из них прежде всего должна позво­лять оценить фосфоро- и серопоглотительную способность шлака.

При переделе малофосфористых чугунов за показатель основности шлака принимают отношение: В= (CaO)/(SiO₂), при переделе высокофосфористых чугунов - В = (CaO)/(SiO₂ + P₂О₅).

Шлаки, в которых отношение (CaO/SiO₂) < 1,6 называют низкоосновными; у шлаков средней основ­ности CaO/SiO₂ == 1,6—2,5; у высокоосновных шлаков (CaO/SiO₂) > 2,5.

Кислые шлаки состоят главным образом из кислотного окисла SiО₂ и некоторого количества таких основных окислов, как FeO и MnO. Составы кислых шлаков характеризуются степенью их кис­лотности (или просто «кислотностью»), выражаемой обычно отноше­нием SiО₂/(FeO + MnO).

2. Окисленность шлака - это способность его оказывать окислительное воздействие на метал­лическую фазу, передавая кислород в эту фазу.

В общем случае окислительная способ­ность шлака находится в сложной зависимости от содержания в нем оксидов железа (FeO), его основности (В), концентрации уг­лерода в металле ([С]) и температуры ванны. Окислительная способность шлака возрастает по мере повышения содержания оксидов железа в нем, концентрации угле­рода в металле и температуры и снижения основности шлака до 1,7-1,8.

В качестве меры окисленности шлака в производственных условиях обычно принимают или содер­жание (в %) в шлаке FeO, или содержащуюся в нем сумму FeO + Fе₂О₃, или содержание в шлаке железа.

Физические свойства шлаков определяют поведение шлаков в процессе плавки

1. Температура плавления шлаков

Температура плавления шлаков (шлаки имеют многокомпонентный состав и плавятся в интервале температур, т.е. имеют начало и конец плавления. Здесь и в дальней­шем имеется в виду температура конца плавления шлаков) является их основной физичес­кой характеристикой, определяющей другие важные физико-химичес­кие свойства. Это связано с тем, что в любом сталеплавильном аг­регате в каждый период плавки температура металла и шлака изме­няется в узких пределах, поэтому перегрев шлаков выше температу­ры плавления в основном определяется температурой плавления. Степень перегрева шлака определяет поведение шлака, его физи­ческие свойства (вязкость, электрическую проводимость) и химичес­кую активность (рафинирующее действие на металл, поглощение газов из газовой фазы и т.д.). На температуру плавления шлака может влиять любой его компонент. Однако, как показывают исследования, для обычных окислительных шлаков первостепенное значение имеет изменение содержания SiO₂ (см. рисунок 1).

Наиболее легкоплавкие шлаки (tпл = 1200-1300°С) содержат 30-40% SiO₂. Как снижение, так и увеличение содержания SiO₂ в шлаке выше указанных пределов приводит к повышению температуры плав­ления.

Содержание SiO₂ равное 30-40%, обычно наблюдается в начале плавки как в основных, так и в кислых процессах. По ходу плавки в основных процессах содержание SiO₂ снижается, а в кислых процессах повышается, поэтому температура плавления шлаков по ходу плавки обычно повышается.

Обычно для разжижения основных шлаков используют добавки боксита (основные составляющие Al₂O₃, SiO₂, Fе₂О₃), пла­викового шпата (CaF₂), боя шамотного кирпича (SiO₂, Al₂O₃), в не­которых случаях песка (SiO₂).

2. Вязкость шлаков

Вязкость шлака является важнейшим из свойств. Повышенная вязкость шлака затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление всех процессов на­грева и рафинирования металла, приводит к излишнему угару раскисляющих и легирующих присадок, уменьшает выход годной стали. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.

Зависимость вязкости шлаков пе­риода плавления в основной марте­новской печи от температуры приве­дена на рисунке 2, из которого видно, что в области умеренно низких тем­ператур начала плавки (вблизи тем­пературы плавления) вязкость шла­ков высока и возрастает при увели­чении их основности. Значения вязкости нормальных шлаков по ходу плавки обычно находятся в пределах 0,1-0,3.

Компонентами шлака, резко повышающими его вязкость, прежде всего являются МgО (> 10-12%) и Сг₂О₃ (>5-6%); эти компоненты при содержаниях выше указанных пределов обогащают шлак мелкодисперсными частицами.

Вязкость основных шлаков существенно снижается при введе­нии 2-5% CaF₂ 5-7% Al₂O₃, 5-7% Na₂O или К₂О.

3. Вспенивание шлака

Вспенивание шлака вызывают мелкие пузыри СО, образующи­еся в результате окисления углерода металла и остающиеся в шлаке ввиду того, что архимедова (подъемная) сила из-за боль­шой удельной поверхности оказывается недостаточной для преодо­ления сопротивления (силы трения) шлакового расплава.

Люди также интересуются этой лекцией: 35 Средневековые представления о душе и человека.

Некоторое, не чрезмерное вспенивание шлака в кислородных конвертерах с верхней подачей дутья играет положительную роль - повышается и стабилизируется усвоение кислорода ванной, создаются препятствия выпуску из конвертера капель металла и поглощению азота из подсасываемого через горловину воздуха. Чрезмерное вспенивание приводит к выбросам значительных объемов шлака из любого агрегата, что недопустимо. В мартеновских печах даже умеренное вспенивание, не приводящее к выбросам шлака, нежелательно, поскольку пени­стый шлак, обладая низкой теплопроводностью, ухудшает тепло­передачу от факела к металлу, что вызывает удлинение плавки и повышение износа футеровки, особенно свода печи, поскольку значительная часть неусвоенного металлом тепла поглощается футеровкой, а это приводит к ее перегреву.

Причиной чрезмерного вспенивания шлака могут быть повышен­ное содержание в шлаке SiO₂ и Р₂О₅ образующие поверхностно-активные анионы SiO₄^4- и РО₄^3-, которые повышают устойчивость пены. Аналогичное действие оказывает наличие в шлаке очень мелких твердых частиц, которые повышают механическую прочность шлаковых пленок (служат "каркасом").

Для снижения склонности шлака к чрезмерному вспениванию из-за наличия в нем очень мелких твердых частиц необходимо повышение температуры, которое обеспечивает растворение твер­дых частиц в шлаке. Если же чрезмерное вспенивание вызывается повышенным содержанием в шлаке SiO₂ и Р₂О₅, то необходимо повысить основность шлака присадкой в ванну извести, еще лучше присадка CaF₂, и оксидов щелочных металлов.

Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки

Основными параметрами, определяющими шлаковый режим плавки, являются основность и количество шлака. Оптималь­ный шлаковый режим достигается одновременным изменением и химического состава (основности), и количества шлака. Если по условиям ведения плавки (высокое качество исходного сырья, умеренные требования к качеству стали и т.п.) нет необходимости в специальных мерах для удаления из металла серы или фосфо­ра, то основность шлака должна обеспечивать предотвращение чрезмерного разрушающего действия шлака на футеровку агрега­та. Для выполнения этого требования достаточно иметь основность конечного шлака 2,2-2,4. Если по ходу плавки требуется принятие специальных мер для удаления серы и фосфора, то основность шлака должна обеспечивать максимальное поглощение шлаком этих примесей. Этому требованию соответствуют конечные шлаки с основностью 2,7-3,3 в мартеновском процессе и 3,0—4,0 в кисло­родно-конвертерном процессе.

Если за счет повышения основности шлака не удается провести рафинирование металла, прибегают к увеличению его количества, путем «скачивания» отработанного шлака и «наведения» нового шлака. Поскольку наведение дополнительного шлака удлиняет плавку и ведет к дополнительным потерям металла, стараются вести процесс в одношлаковом режиме.