Лекция 3. Производство стали Основные реакции сталеплавильных процессов

Процесс получения стали - процесс окислительный. Сталь – результат окисления примесей чугуна. Окислителем в сталеплавильном процессе обычно является кислород.

При написании реакций будем пользоваться следующими обозначениями:

О – газовая фаза; [0] – фаза металла; (0) – фаза шлака

Окисление углерода

Реакция окисления углерода является основным процессом, а образующаяся газовая фаза перемешивает металл, выравнивает его состав и температуру. Окисление углерода идет по следующим реакциям:

2 [C] + O₂ → 2CO + Q

[C] + (FeO) → CO + [Fe] + Q

[C] + [O] → CO + Q

Окисление и восстановление марганца

Процессы окисления марганца протекают при относительно невысоких температурах:

2[Mn] + O₂ = 2(MnO) + Q

[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] + Q

[Mn] + [O] = (MnO)

При высоких температурах марганец способен восстанавливаться:

(MnO) + [C] = [Mn] + CO

(MnO) + [Fe] = [Mn] + (FeO)

Процессы окисления и восстановления марганца идут в зависимости от температуры и состава шлака.

Окисление кремния

Окисление кремния идет по следующим реакциям:

[Si] + O₂ = (SiO₂) + Q

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe] + Q

[Si] + 2[O] = (SiO₂) + Q

При высоких температурах может происходить и восстановление кремния.

(SiO₂) + 2[C] = [Si] + 2CO

(SiO₂) + 2[Fe] = [Si] + 2(FeO)

Окисление фосфора

Окисление фосфора идет по следующим реакциям:

4[P] + 5O₂ = 2(P₂O₅) + Q

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe] + Q

2[P] + 5[O] → (P₂O₅) + Q

Фосфор является одной из наиболее вредных примесей. Он способен восстанавливаться при повышенной температуре, высоком содержании кремния и низком содержании FeO в шлаке. Для того, чтобы наиболее полно удалить фосфор, необходимо:

- обеспечение окислительной среды, в частности высокого содержания FeO в шлаке.

- наличие шлаков, содержащих мало фосфора (частая смена шлака)

- поддержание относительно невысокой температуры.

Окисление серы

Сера наряду с фосфором является наиболее вредной примесью. Окисление серы идет на поверхности раздела фаз, поэтому для увеличения эффективности необходимо интенсивное перемешивание. Окисление серы идет по следующим реакциям:

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

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

Наиболее полному удалению серы способствует наличие шлаков с высоким содержанием CaO, низкая окисленность фазы металла (низкое содержание кислорода в фазе металла), низкая концентрация серы в шлаке, интенсивное перемешивание металла со шлаком, высокая температура.

Удаление газов из стали

Содержание газов в стали (водорода, азота, кислорода) должно быть минимальным, т.к. их присутствие приводит к ухудшению качества стали, в первую очередь к уменьшению ее прочности.

Водород и азот удаляются вместе с СО в результате так называемого кипения ванны.

Для удаления кислорода проводят раскисление стали, т.е. удаление кислорода путем связывания его в оксиды мeталлов, имеющих большее сродство к кислороду, чем железо. Обычно в качестве раскислителей используют кремний и алюминий. Раскисление идет по следующим реакциям:

3[O] + 2[Al] → (Al₂O₃)

2[O] + [Si] → (SiO₂)

Раскисление бывает 2-х видов:

глубинное - раскислители вводят в глубину металла. В этом случае требуется определенное время для того, чтобы продукты раскисления всплыли на поверхность металла и перешли в шлак.

диффузионное – раскислители в тонкоизмельченном виде подают на шлак, покрывающий металл. Сначала происходит раскисление шлака, затем раскисление металла, т.е. процесс идет на границе раздела фаз.