по дисциплине основы технологических производственных процессов на тему: общие основы

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный вечерний металлургический институт 111250, г. Москва, Лефортовский вал, д.26 т. 361-14-80, факс 361-16-19

РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

НА ТЕМУ:

ОБЩИЕ ОСНОВЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Выполнил

студент: Солдатенко В. А.

группа: ЭУ-09д

Проверил: к.т.н., доцент Фарунда Н.А.

Москва, 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

История развития сталеплавильного производства………...…………….	2
Классификация стали……………………………………………………….	6
Основные реакции и процессы сталеплавильного производства………. Шихтовые материалы сталеплавильного производства……………………. 19	7
Библиографический список……………………………………..………….	20

История развития сталеплавильного производства

Сталью называют деформируемый (ковкий) сплав железа с уг­леродом и другими примесями. Получение железа в чистом виде представляет собой трудоемкий и дорогостоящий про­цесс. Механические свойства, в частности прочность, чис­того железа ниже свойств сплавов железа. В чистом виде железо — материал дорогой, его используют для специальных целей. Обычно в технике и в быту используют сталь. Значе­ние черных металлов вообще и стали в частности в народном хозяйстве огромно. Без использования стали не могли бы развиваться ни горная промышленность, ни транспорт, ни машиностроение, ни сельское хозяйство. За последние 60— 100 лет во много раз увеличилось производство цветных ме­таллов, особенно алюминия, однако доля черных металлов в мировом производстве продолжает оставаться преобладающей и почти неизменной — около 95 % от общего производства металлов. В течение многих лет уровень экономической мощи того или иного государства определялся в первую очередь количеством выплавленной стали. При этом основную массу составляли так называемые рядовые марки стали; доля ка­чественных и высококачественных марок была невелика.

Настоящий период развития металлургии характеризуется коренным изменением как масштабов производства качествен­ной и высококачественной стали и доли ее в общем произ­водстве, так и методов ее получения. Это связано с рядом обстоятельств:

1) для производства стали требуются: добы­ча и обогащение железной руды, добыча угля и получение из него кокса, добыча добавочных материалов, сооружение ме­таллургических заводов, что связано с огромными и все возрастающими (в связи с истощением запасов богатых руд и дефицитом коксующихся углей) затратами материальных, энергетических и трудовых ресурсов;

2) развитие техники позволяет непрерывно повышать эффективность металлурги­ческого производства, т.е. из того же количества руды и угля получать все большее количество металлоизделий; 3) непрерывное и осуществляемое все возрастающими темпами перевооружение промышленности связано с выводом из строя устаревшего оборудования и соответственно с получением большого количества металлолома; металлолом (а не желез­ная руда) все в большей мере становится основным сырьем для производства стали (это относится прежде всего к раз­витым в промышленном отношении странам — странам с боль­шой "металлоемкостью" народного хозяйства); 4) высокие требования к качеству стали привели к разработке новых технологий, что существенно изменило в последние годы по­ложение дел в сталеплавильной промышленности. Требования новых отраслей техники к качеству многих марок стали рез­ко возросли 20-30 лет тому назад и продолжают возрастать. Это привело к увеличению масштабов производства стали и сплавов, содержащих ничтожно малое количество газов, не­металлических включений и других нежелательных примесей, однородных по свойствам. Были разработаны новые способы обработки металла, как в самом агрегате, так и вне него. Возможность получения стали с гарантированно низким со­держанием вредных примесей при минимальном развитии лик­вации обеспечивает возможность роста промышленного произ­водства без увеличения количества выплавляемой стали.

Все это вместе взятое явилось причиной новой ситуации в промышленности, при которой масштабы выплавки стали уже не характеризуют промышленную мощь. Главными становятся высокое качество, чистота и надежность металлопродукции. Неизбежное при этом усложнение технологии оправдывается достигаемым результатом

Вся история металлургии характеризуется непрерывным совершенствованием технологии. Условно процесс непрерыв­ного совершенствования методов и технологии производства стали можно разделить на ряд этапов.

Первый этап. Прямое получение железа из руды.

Существовало много разновидностей сыродутного процес­са, причем в некоторых установках получали за одну опера­цию, длившуюся 6—7 ч, до 200 кг железа. Недостатки сыро­дутного способа производства (малая производительность, большой расход топлива, значительные потери железа со шлаком, высокая трудоемкость процесса и низкое качество металла) определили повсеместное исчезновение этого спо­соба к концу XIX в. (в XX в. сыродутные горны еще можно было встретить в Африке).

Второй этап. Получение кричного (сварочного) железа из чугуна.

Кричный процесс – это двустадийный процесс: вначале получение чугуна, а потом по­лучение из чугуна низкоуглеродистого металла. Этот процесс более производительный, чем получение железа из руды.

Сущность кричного способа переработки чугуна в железо и сталь заключается в расплавлении чугуна в горне на дре­весном угле и окислении углерода, кремния, марганца и других примесей кислородом дутья и действием шлаков, бо­гатых оксидами железа.

Выложенный огнеупорными материалами или водоохлаждаемыми чугунными плитами горн наполняют древесным углем, разжигают его и подают дутье. После того как уголь хорошо разгорелся, присаживают чугун и богатые оксидами железа шлаки. Чугун по­мещают обычно на уровне фурмы или несколько выше ее, он постепенно плавится и капельками стекает вниз. Одновре­менно с этим под действием кислорода дутья и оксидов же­леза шлака происходит окисление (выгорание) примесей чу­гуна. По мере окисления примесей чугуна (в частности, уг­лерода) повышается температура его плавления (температура плавления чугуна 1100—1200 °С, низкоуглеродистого железа ~1500 °С). Температура в горне достигает 1300-1400 °С, т.е. достаточна для расплавления чугуна, но недостаточна для поддержания в жидком виде образующегося низкоуглеро­дистого сплава. По мере окисления примесей металл стано­вится все более тугоплавким и все более вязким. В резуль­тате на дне горна получается зернистая тестообразная железистая масса, которую собирают в один ком, или крицу, извлекают из горна и подвергают обработке под молотом для удаления из металла шлака и образования возможно более плотного и однородного куска железа. В связи с тем, что горючие материалы, применяющиеся в кричном производстве, находятся в тесном соприкосновении с металлом, они должны быть чистыми от золы и вредных примесей. В большинстве промышленных стран кричный процесс как крайне непроизводительный и дорогой исчез в конце XIX— начале XX вв. Низкая производительность и высокая стои­мость кричного передела, а также массовое уничтожение ле­сов вокруг промышленных центров, вызванное необходимостью получения больших количеств древесного угля, — все это заставляло искать более производительный способ производства кричного железа, причем такой, при котором можно бы­ло заменить чистый древесный уголь другим топливом — бо­лее дешевым и менее дефицитным.

Третий этап. Возникновение способа получения жидкой (литой) стали.

Наиболее древним из всех существующих спо­собов получения стали в жидком, расплавленном виде, т.е. так называемой литой стали, является тигельный процесс.

Выплавка стали в тиглях производится следующим обра­зом: в тигли вместимостью обычно 25—35 кг загружают ме­таллическую шихту, по составу близкую к стали, которую необходимо получить. Закрытые крышками тигли помещают в горны или пламенные регенеративные печи (передача тепла металлу осуществляется через стенки тигля).

Тигельная сталь характеризуется очень высокими механическими свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки или ковки. Отсутствие окислительной атмосферы и раскисляющее действие материала тигля, а также сравнительно невысокие температуры процесса, не позволяющие перегреть металл, дают возможность получать плотную сталь с ничтожным количеством неметаллических включений и низким содержанием газов.

Однако тигельный процесс также имеет ряд существенных недостатков, к ним относятся низкая производительность труда, высокие требования к чистоте исходных материалов, малая стойкость тиглей (до трех плавок), высокий расход топлива и другие.

Четвертый этап. Возникновение относительно простых и дешевых способов массового производства литого металла.

Простой и дешевый способ получения литой стали в больших количествах путем продувки жидкого чугуна воздухом. Продувку чугуна проводили в специальном агрегате — конвертере с кислой футеровкой. Способ получил название конвертерного (бессемеровского).

Принцип использования тепла отходящих газов для подо­грева топлива и воздуха в так называемых регенераторах был разработан Сименсом, поэтому в ряде стран процесс на­зывают сименсмартеновским. Во Франции и в России он по­лучил распространение под названием мартеновского.

Конвертерный и мартеновский способы явились базой, обеспечивающей бурный рост индустриальной мощи промышленно развитых стран.

Пятый этап. Развитие электрометаллургии стали.

В конце XIX—начале XX вв. были созданы и начали работать электро­печи различных конструкций. Особенно бурными темпами электросталеплавильное производство развивается в послед­ние десятилетия. Появились дуговые сталеплавильные печи вместимостью 200—350 т. Развитие электрометаллур­гии стимулируется также возможностью переплава больших количеств такой дешевой шихты, как металлический лом. К настоящему времени уже большое число промышленно развитых стран выплавляют в электродуговых печах более 20—30 % всей стали. Высокопроизводительные дуговые электростале­плавильные печи часто устанавливают на смену старых, отслуживших свой срок мартеновских печей.

Шестой этап. Интенсификация сталеплавильного процесса кислородом.

К концу 50-х годов использование кислорода в сталеплавильном производстве стало обычной практикой, которая оказала существенное влияние на масштабы выплавки стали в мире. В результате только за 10 лет (с 1960 по 1970 г.) мировое производство стали возросло с 346 до 603 млн. т. Основная масса стали, производимой в настоящее время в мире, выплавляется в агре­гатах, где роль окислителя выполняет технически чистый кислород.

Седьмой этап. Появление и распространение переплавных процессов.

На процессы удаления из стали вредных примесей влияют такие факторы, как изменение давления, увеличение поверхностей контакта взаимодействующих фаз, ускорение процесса охлаждения металла, использование плазменной и электронно-лучевой технологии и др. В результате появи­лись и получили за последние годы значительное распрост­ранение такие способы переплава стали, как вакуумный ин­дукционный (ВИП), вакуумный дуговой (ВДП), электрошлако­вый (ЭШП), электроннолучевой, плазменный и др. Поскольку в этих процессах осуществляется переплав стали, предвари­тельно выплавленной в "обычном" агрегате (конвертерах, мартеновской печи, электродуговой печи), такие процессы называют переплавными. Эти способы сравнительно дорого­стоящие и малопроизводительные, но обеспечивают получение металла очень высокого качества с особыми свойствами.

Восьмой этап. Появление и развитие внепечной, вто­ричной или ковшевой металлургии.

Многие технологические операции, проводимые для уменьшения содержания вредных примесей в металле и повышения его качества, можно пере­нести из плавильного агрегата в ковш (или иной агрегат, заменяющий ковш), специально оборудованный устройствами для соответствующей обработки жидкого металла. Производи­тельность плавильного агрегата при этом возрастает, одно­временно обеспечивается повышение качества стали. Для удаления из металла вредных примесей, усреднения состава и регулирования температуры металл в ковше подвергают вакуумированию, продувают инертными газами, обрабатывают жидкими или порошкообразными смесями или специальной ли­гатурой, подвергают электромагнитному перемешиванию и т.п. Поскольку эти операции в некоторых случаях продолжи­тельны, а металл постепенно охлаждается, были созданы устройства для подогрева металла в процессе его обработ­ки, т.е. ковш превратился в самостоятельный иногда до­вольно сложный агрегат. Эти методы получили название ков­шевой (или вторичной) металлургии, внепечной обработки или внепечного рафинирования. Помимо повышения качества, внепечная обработка обеспечивает стабильность свойств металла данной марки, что очень важно потребителям; в результате она за очень короткий срок (в течение 70-х годов XX в.) получила повсеместное распрост­ранение. В настоящее время сотни миллионов тонн выплавля­емой в мире стали подвергают той или иной внепечной обра­ботке.

Девятый этап. Развитие методов непрерывной разливки.

Создание работоспособных агрегатов непрерывной разливки стали позволило: а) существенно снизить расход жидкой стали для получения 1т проката; б) улучшить условия для повышения качества стали; в) обеспечить реальное начало нового этапа в металлургии: получение готового стального продукта или полупродукта непосредственно из жидкого ме­талла ("прямая прокатка"); г) повысить производительность труда металлургов. В настоящее время в промышленно разви­тых странах практически вся выплавляемая сталь разливает­ся на установках непрерывной разливки.

Приведенная выше схема исторического развития стале­плавильного производства условна. Появление тех или иных новых способов производства стали и методов, обеспечива­ющих повышение ее качества, происходит во времени и мно­гие способы (и старые, и новые) существуют одновременно.

Классификация стали

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.

Единой мировой системы классификации стали нет. Многие компании и фирмы пользуются своими системами классифика­ции стали.

По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. Иногда требуется еще боль­шее уточнение, например "кислая мартеновская сталь" и т.п. Очень часто от способа производства зависят некото­рые особенности качества металла. Например, несмотря на одинаковый химический состав и одинаковую последующую термообработку, свойства основной и кислой мартеновской стали различны, и это учитывают и потребители этой стали, и сталеплавильщики.

По назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изго­товлении различных металлоконструкций.

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

3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая 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.

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.

По химическому составу различают стали: углеродистые (в том числе низко-, средне-, высокоуглеродистые), низко­легированные, легированные (в том числе хромистые, мар­ганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

Установлены единые условные обозначения химического состава стали:

Элемент ... С Mn Si Cr Ni Mo W V Al Ti

Обозначение УГСХНМВФЮТ

В обозначении марок стали по стандарту цифры с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента (для инструментальных сталей — в де­сятых долях процента). Буквы справа от цифр, выражающих среднее процентное содержание углерода, обозначают, нали­чие соответствующего элемента в стали. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание соответствую­щих элементов.

По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Каждый из перечисленных видов классификации стали ха­рактеризует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количест­вах и другие параметры. Все это учитывают потребители ме­талла.

Основные реакции и процессы сталеплавильного производства

1. Термодинамика сталеплавильных процессов.

В ходе сталеплавильных процессов выделяется (или по­глощается) теплота, достигается (или нарушается) равнове­сие протекающих реакций, лучистая энергия факела или эле­ктрической дуги превращается в тепловую и происходят дру­гие энергетические процессы. Науку, изучающую законы теп­лового равновесия и превращения теплоты в другие виды анергии, называют термодинамикой. Химическая термодинами­ка изучает равновесие химических реакций, их тепловые эф­фекты. Обычно сталеплавильный агрегат представляет собой довольно сложную систему. Для характеристики системы ис­пользуют величины, называемые параметрами состояния и па­раметрами процесса.

Параметры состояния -
величины, служащие для характе­ристики состояния системы.

Параметры процесса —
величины, характеризующие про­цесс, т.е. изменение системы, связанное с изменением па­раметров состояния. К их числу относятся энтальпия, энтропия, энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.

Энергию Гельмгольца называют "свободной энергией при по­стоянном объеме"; также используют название "изохорно-изотермический потенциал" (сокращенно "изохорный потен­циал").

Сталеплавильные процессы обычно протекают при давлени­ях, близких к постоянным (т.е. являются изобари­ческими); для оценки этих процессов используют па­раметр G,
предложенный американским ученым Гиббсом, опре­деляемый через энтальпию Н:

G =
H-
TS.

Энергия Гиббса связана с энергией Гельмгольца соотно­шением

G =
A +
pV,

где р—
давление, V—
объем.

18-тый конгресс Международного союза чистой и прикладной химии в 1961 г. рекомендовал использовать символ G
и название "энергия Гиббса". В настоящее время не существует методов опреде­ления абсолютного значения величин U,
A,
H,
S,
G.
Для проведения термодинамических расчетов условились прини­мать энтальпию простых веществ (элементов) при 25 °С (298 К) равной нулю (Я298
= 0); энтропии всех веществ принимают равными нулю при абсолютном нуле (
S0
=
0 при Т =
0). Соответственно для термодинамических расчетов ис­пользуют величины изменения
Я, S,
G,
а именно: ДЯ, AS,
AG.
Напомним, что при постоянном давлении Qp
=
—ДЯ.

Общее уравнение для определения изменения энергии Гиббса AG
при температуре Т

AGT

= ДЯТ
- TASr
.

Для проведения практических расчетов и сравнимости по­лучаемых результатов оказалось удобным определять измене­ния для каждого рассматриваемого процесса (реакции) при стандартных условиях. В качестве стандартных обычно при­нимают условия, при которых парциальные давления для каж­дого компонента равны 100 кПа, активности каждого компо­нента равны 1, а конденсированные вещества (жидкости и твердые тела) в чистом виде находятся под давлением 100 кПа. Для того чтобы показать, что параметры заданы при стандартных условиях, используют индекс ° (ДС7°, ДЈ°, ДЯ°). Между стандартным изменением AG°
и константой рав­новесия существует непосредственная связь:

AG° = -
RT
In Kp
.

Это соотношение применимо для любой температуры. В ка­честве "стандартной" принимают обычно температуру 25 °С, т.е. 298,15 К (обозначают индексом 298). При стандартных условиях и стандартной температуре параметры процесса обозначают следующим образом: AG%
m
,
ДЯ°98
, AS%9
i
.

100 кПа = 1 атм.

В большинстве случаев температура металлургических процессов существенно отличается от стандартной, поэтому величины ДЯ могут существенно отличаться от величины АЯ°98
. Изменение величины ДЯ в зависимости от температуры связано с изменением теплоемкости:

Г

dH/
dT
= ДСР
; ДЯТ
= ДЯ°ЭД
+ $ ACp
dT.

2 98

Если в пределах исследуемых температур происходит из­менение состояния какого-либо компонента (аллотропическое превращение, плавление, испарение — это также обычно ука­зывается в таблицах), то тепловой эффект этого изменения (часто используют понятие теплоты превращения Lnp
или Ј?пр) должен быть учтен в расчетах:

^ПР у

ДЯТ
= ДЯ°98
+ 5 ACv
dT±
Lm
+
$ ACp
dT.

298 '"пр

Значения величины изменения энтропии AS°
при изменении температуры также изменяются. Уравнение для расчета зна­чений изменения энтропии при изменении температуры имеет

вид

Т
ДСР

Л
5° = S —zr dT.

о На практике зачастую температурные условия по ходу процесса существенно меняются. Это необходимо учитывать, чтобы дать тому или иному процессу точную количественную

оценку.

Чаще всего используют формулу

AG =
AH-
TAS,
где ДЯ и AS
близки к средним значениям ДЯ и AS
для данно­го интервала температур. В таблицах значения приводят обычно в виде AG
= А + ВТ.

При изменении температуры изменяются и ДЯ и AS,
но AS
изменяется в большей мере, в результате оказывается, что AG
< 0; при равновесии AG
= 0, поэтому величина AG,
если реакция написана в направлении ее протекания, всегда по­лучается с минусом. Если в результате расчета величина AG
получается с плюсом, то реакция (процесс) идет в обратном направлении. Процесс или реакция могут идти самопроиз­вольно лишь в том случае, когда энергия Гиббса системы уменьшается.

Изменение энергии Гиббса используют для определения меры химического сродства веществ. Константа равновесия Кр

характеризует степень протекания реакции в ту или иную сторону. Поскольку ДО° = Д#°-ТД50
и AG° * -
RTln Кр
,
то -
RTla Кр

= ДЯ° - ГД5Я, откуда R
In Кр

= Д5°-ДЯ°/Г. Отсюда видно, что чем больше величина AS°
и чем Меньше ЬН°/Т,
тем полнее идет реакция. Из уравнения видно также, что чем выше температура, тем большее значение имеет величина Д5° (энтропийный фактор) и меньшее LH°/
T
(энтальпийный фактор). При производстве стали протекают процессы окис­ления железа и его примесей (углерода, кремния, марганца) и образования соответствующих оксидов (СО, SiOj, MnO). Способность железа и его примесей окисляться, т.е. хими­ческое сродство к кислороду, часто выражают при помощи давления диссоциации оксидов.

Ме +
02
= Ме02
;Кр
= аШе0
у(аш
.Ро
).

Таким образом, давление диссоциации является мерой прочности оксида: чем меньше эта величина, тем прочней оксид.

Обычно в качестве стандартного состояния выбирают либо чистое вещество, либо однопроцентный раствор этого ве­щества.

Для термодинамических расчетов активность представляет собой вспомогательную расчетную величину, которая «харак­теризует степень связанности молекул, атомов или ионов исследуемого компонента. При образовании данным компонен­том в растворе каких-либо соединений его активность пони­жается, и, Наоборот, активность возрастает при уменьшении сил взаимодействия между частицами растворителя и раство­ренного вещества.

Большинство компонентов, встречающихся в металлурги­ческой практике, образует в железе растворы, далекие от идеальных. Соотношения между составом и свойствами боль­шинства реальных растворов очень сложны и не всегда ясны. Положение облегчается тем, что обычно мы имеем дело с растворами в железе небольших количеств (часто < 1 %) других компонентов. При уменьшении концентрации раство­ренного вещества свойства реального раствора приближаются к свойствам идеального. Такие растворы принято называть бесконечно разбавленными
или разбавленными.
В этих слу­чаях принято использовать закон Генри, согласно которому в разбавленном растворе давление пара растворенного ве­щества Pi
прямо пропорционально его концентрации ch

т.е. pj-
rcj,
где г —
коэффициент (константа Генри). Обычно реальные растворы подчиняются закону Генри при изменении концентрации в интервале от долей процента до нескольких процентов.

В достаточно сильно разбавленном растворе можно при­нять активность- равной концентрации: aj =
Cj
или aj
= Xj.
При повышении концентрации растворенного компонента при­ходится вводить вспомогательную величину yj =
aj/
xj,
соответственно at
■, = "
gjXj.
Величина у
h

называемая коэф­фициентом активности,
характеризует степень отклонения свойств рассматриваемого компонента в данном растворе от его свойств в идеальном растворе.

2. Кинетика сталеплавильных процессов.

Кинетика позволяет ответить на вопрос о том, какова скорость процесса, ее зависимость от отдельных параметров.

В общем случае протекание реакции в сталеплавильной ванне может быть представлено в следующей последователь­ности:

а) подвод реагентов к месту реакции;

б) акт химической реакции;

в) выделение продуктов реакции в отдельную фазу и их

удаление.

В каждом конкретном случае одно из этих звеньев может лимитировать протекание процесса в целом, если скорость данного звена процесса будет меньше, чем двух других.

В некоторых случаях, когда в результате реакции должна образоваться новая фаза (например, образование пузырька газа внутри стальной ванны, образование неметаллического включения, образование твердого кристаллика металла при кристаллизации стали), скорость процесса в целом может быть лимитирована скоростью процесса зарождения и выделе­ния новой фазы.

Это связано с тем, что в обычных условиях зародыши лю­бой новой фазы становятся устойчивыми лишь при достижении определенных (критических) размеров. Рост зародыша до этих размеров приводит к увеличению свободной энергии системы. Этот начальный рост свободной энергии вызван затратой работы (энергии) на создание поверхности раздела между зародышем новой фазы и исходной фазой. Буквенным символом величины энергии, затрачиваемой на образование единицы поверхности (называемой поверхностным натяже­нием), обычно служит сг, а обозначение ее является Дж/м2
(энергия на единицу поверхности) или Н/с (сила на единицу длины). Обычно термин "поверхностное натяжение" применяют при рассмотрении свойств тела на границе с газовой фазой, т.е. в тех случаях, когда можно пренебречь поверхностным натяжением второй фазы. Для случая поверхности раздела жидкость—жидкость (например, металл—шлак) применяют тер­мин "межфазное натяжение". Процессы, связанные с уменьше­нием энергии системы, протекают самопроизвольно. Соответ­ственно и процессы, связанные с уменьшением величины поверхностного натяжения, также будут протекать самопроиз­вольно. При этом в поверхностном слое будет повышаться концентрация того из компонентов, прибавление которого понижает поверхностное натяжение (явление адсорбции). Ве­щества, снижающие поверхностное натяжение растворителя, т.е. вещества, концентрация которых в поверхностном слое выше, чем в растворителе, называют поверхностно-активными веществами. Исследования показали, что такие элементы, как кислород, сера, бор, церий, кальций и ряд других в растворе жидкого железа, являются поверхностно-активными (рис. 73). Величина поверхностного натяжения чистого же­леза с
составляет примерно 1,8 мДж/м2
. Небольшие добав­ки поверхностно-активных элементов снижают величину, а
на 20—30 %,
при этом соответственно увеличивается адсорб­ция этих элементов в поверхностном слое (например, на границе металл—шлак, металл—под, жидкий металл—растущий кристалл при застывании металла). Особенность поверхност­ных явлений заключается в том, что при их наличии прояв­ляется действие ничтожных концентраций примесей

(такие же концентрации примесей, но равномерно распределенные в объеме вещества, не могут оказать существенного влияния на объемные свойства).

Роль поверхностных явлений в металлургических процес­сах чрезвычайно велика. Большинство металлургических про­цессов основано на гетерогенных реакциях, связанных с исчезновением одних и появлением других фаз; сами реакции во многих случаях протекают на границе раздела фаз. Поэтому приходится учитывать, что и свойства, и составы пограничных слоев отличаются от объемных свойств.

При образовании новой фазы сначала в результате флук­туации должны образоваться термодинамически устойчивые зародыши новой фазы. Вероятность флуктуации определяется работой, необходимой для ее осуществления, а эта работа связана с большей удельной поверхностью зародыша и поэто­му зависит от величины поверхностного натяжения на грани­це зародыш—среда. Чем меньше поверхностное натяжение, тем меньшая работа требуется для образования зародыша, тем благоприятнее условия для образования (выделения) новой фазы. Следовательно, наличие в металле поверхностно-активных примесей облегчает условия выделения (образова­ния) новой фазы, например образования в металле пузырьков газа, неметаллических включений, кристаллов). Эти же по­верхностно-активные вещества, адсорбируясь на растущей фазе, могут затормозить ее рост. На этом свойстве поверх­ностно-активных примесей основаны, например, способы модифицирования чугуна и стали. Небольшая добавка такого элемента, как бор, позволяет получать мелкозернистую структуру металла.

3. Сталеплавильные шлаки.

Выплавка стали обычно сопровождается процессами окисления железа и его примесей, а также процессами разъедания фу­теровки сталеплавильных агрегатов. В шихте, загружаемой в сталеплавильные агрегаты, всегда имеется большее или меньшее количество загрязнений. Кроме того, при ведении плавки в ванну обычно добавляют различные флюсы и доба­вочные материалы. В результате образуется неметаллическая фаза, называемая шлаком.

Источники образования шлака

Основные источники образования шлака следующие:

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома — крем­ния, марганца, фосфора, серы, хрома и других элементов (Si02
, MnO, Р2
05
, FeS, MnS, Сг2
Оэ
и др.).

2. Продукты разрушения футеровки агрегата — при разъе­дании основной футеровки (доломита, магнезита) в шлак пе­реходят CaO, MgO, при разъедании кислой (динас) — Si02
.

3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина, миксерный шлак и т.п.), - Si02
, Al2
03
, 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.) - CaO, A12
03
. Si02
, FeO, FejQ3
, MnO, CaF2
и т.п.

В каждом конкретном случае степень влияния перечислен­ных загрязнений на состав шлаков различна.

Строение и составы шлаков

После отбора пробы шлака и проведения соответствующего анализа (состав шлаков устанавливают методами аналитичес­кой химии и спектрального анализа) сталевар получает дан­ные (в %) о том, сколько в этой пробе шлака содержится CaO, Si02
, Al2
03
, FeO, MnO и других соединений. Приходит­ся, однако, учитывать, что в лаборатории подвергают ана­лизу шлак, уже застывший после отбора пробы из печи. В печи же (в агрегате) шлак находится в расплавленном сос­тоянии. Жидкие расплавленные шлаки в металлургическом агрегате характеризуются наличием между составляющими шлака и ковалентной, и ионной связи. Образование ионов при расплавлении компонентов шлака можно представить сле­дующими реакциями:

FeO -*■
Fe2+
+ О2
"; CaO —* Са2+
+ О2
";

MnO —* Мп2+
+ О2
"; MgO -
r*
Mg2+
+ О2-
;

(FeO)2
• Si02
—*■
2Fe2+
+ SiOf;

(MnO)2
• Si02
—» 2Mn2+
+ SiO«~;

FeS —*Fe2+
+ S2
"; MnS ->Mn2+
+ S2
';

CaF2
—* Ca2+
+ 2F~;

(CaO)3
• P2
Os
-*ЗСа2+
+ 2РОГ и т.д.

Таким образом, сталеплавильные шлаки обычно имеют в своем составе такие катионы, как Fe2+
, Mr.2+
, Ca2+
, Mg2+
, Сг2+
, и такие анионы, как S2
", О2-
, SiO,-
, AIO5-, POf, Fe02
, FeO^", Si2
0$", CrOj и Т.п. Кроме того, в шлаке мо­гут быть и сложные комплексы, близкие к составам таких соединений, как (СаО)4
• Si02
; (FeO)2
• Si02
; (CaO)4
• • P2
Os
. Поэтому данные, которые сталевар получает после анализа пробы шлака, далеко не полностью отражают истин­ную картину того, что находится непосредственно в печи.

4. Основные реакции сталеплавильных процессов.

Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в ре­зультате окисления и удаления содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления. Кисло­род для протекания этих реакций поступает или из атмосфе­ры, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кислородом.

При контакте с металлом и шлаком окислительной атмо­сферы, содержащей кислород в виде Оа
, С02
или Н2
0, обра­зуются высшие оксиды железа, обогащающие шлак кислородом (например, СОг
+ 2(FeO) = (Fe2
03
) + СО). Дальнейший про­цесс переноса кислорода из шлака в металл протекает по реакциям (Fe2
03
) + Реж
=3(РеО), а затем (FeO) —*[0] + Fe*.

Ниже рассмотрены основные реакции, происходящие при протекании сталеплавильных процессов. При этом для прос­тоты расплавленная сталь будет рассматриваться как одно­родный раствор тех или иных компонентов в железе незави­симо от того, какая структура была у металла данного сос­тава в твердом состоянии.

Марганец, растворенный в металле, окисляется кислоро­дом:

а) содержащимся в газовой фазе

[Мп] + 1/202газ
= (МпО); AG° = -361380 - 106,07;

при протекании этой реакции выделяется много тепла;

б) содержащимся в оксидах железа шлака

[Мп] + (FeO) = (МпО) + Fex
; AG° = -124000 + 56,47;

эта реакция также экзотермическая;

в) растворенным в металле

[Мп] + [О] = (МпО); AG° = -245000 + 1097;

эта реакция также протекает с выделением тепла.

Окисление и восстановление кремния

Кремний растворяется в железе в любых соотношениях. Раст­ворение кремния в железе происходит с выделением тепла:

Si -^[Si]; AG° =-121400 - 1,27.

Кремний — элемент легко окисляющийся. Растворенный в металле кремний может окисляться кислородом:

а) содержащимся в газовой фазе

[Si] + Оггю

= (Si02
); AG° = -775670 + 1987;

б) содержащимся в окислах железа шлака

[Si] + 2(FeO) = (Si02
) + 2Реж
; AG0
= -300000 + 987;

в) растворенным в металле

[Si] + 2[0] = Si02
; AG0
= -541840 + 2037

Окисление и восстановление фосфора

Фосфор растворяется в железе в значительных количествах. При растворении фосфора выделяется некоторое количество тепла:

?г™
—*2[Р]; AG0
=-245300 - 38Г.

Растворенный в металле фосфор может окисляться кисло­родом:

а) содержащимся в газовой фазе

4/5[Р] + 02газ
= 2/5(P2
Os
); AG° = -619280 + 175Г;

б) содержащимся в оксидах железа шлака 4/5[Р] + 2[FeO] = 2/5(P2
Os
) + 2Fex
;

AG0
- -143050 + 66Г;

в) растворенным в металле

4/5[Р] + 2[0] = 2/5(P2
Os
); AG° = -385220 + 170Г.

Удаление серы (десульфурация металла)

Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком же­лезе и ограниченной в твердом. При растворении серы в железе выделяется тепло, что видно из следующей реакции:

l/2Sra
3
—*[
S]
AG°
= -72000 - 10,257.

5. Газы в стали

В любой стали в некоторых количествах содержатся элемен­ты, в обычных условиях являющиеся газами (кислород, водо­род, азот). Газы содержатся в металлах в виде газовых пу­зырей, соединений (оксидов, гидридов, нитридов) и жидких или твердых растворов, т.е. в виде атомов или ионов, рас­пределенных между атомами и ионами жидкого металла или внедренных в кристаллическую решетку металла. Газы (даже при содержании их в сотых и тысячных долях процента) ока­зывают существенное влияние на свойства металла, поэтому вопросам удаления газов из металла всегда уделяют особое внимание.

Растворимость газов в стали в сильной степени зависит от температуры.

Кислород в стали

Атмосфера большинства сталеплавильных агрегатов — окисли­тельная. При окислительном характере газовой фазы какое-то количество кислорода всегда переходит из газовой фазы в металл. Источником кислорода могут быть также добавоч­ные материалы, содержащие оксиды железа (например, ржав­чину на поверхности заваливаемого в печи металлического лома). Если в шлаке имеется какое-то количество оксидов железа, то в результате перехода кислорода из шлака в ме­талл между суммарным содержанием оксидов железа в шлаке (FeO) и кислородом в металле [О] устанавливается опреде­ленное соотношение (FeO)/[0].

Растворимость кислорода в железе, находящемся под же­лезистым шлаком, с повышением температуры растет. Но если металл содержит примеси, сродство которых к кислороду вы­ше, чем у железа, то происходит окисление этих примесей и концентрация кислорода в металле уменьшается. Если эти примеси вводят в ванну специально для того, чтобы умень­шить содержание кислорода, то их называют раскислителями. В качестве таких элементов-раскислителей используют мар­ганец, кремний, алюминий, кальций, редкоземельные элемен­ты. Раскислителем является также углерод.

Водород в стали

Атмосфера почти любого сталеплавильного агрегата содержит какое-то количество водорода или паров Н2
0. Некоторое ко­личество влаги может попасть вместе с шихтой и добавочны­ми материалами. Из атмосферы агрегата водород переходит в металл по реакции

Н2газ
-*2[Н] или Н2
Огаз
— 2[Н] + [0].

Константа первой реакции может быть выражена в виде

к = [н]7рн
,

"ггаз откуда

[н] = //ср„ =г/7

"ггаз "ггаз

Пропорциональность содержания водорода в металле корню квадратному из давления водорода в газовой фазе называют "законом квадратного корня".

Обработка металла вакуумом.
Соотношение между коли­чеством водорода, растворенного в металле, и давлением водорода в
газовой фазе определяется выражением [Н] =

=
K'
v
p .
При помещении металла в вакуумную камеру дав-Н2газ

давление водорода в газовой фазе уменьшается, и он начинает

удаляться из металла. Вакуум является очень эффективным

средством уменьшения содержания водорода в металле.

Организация кипения ванны.
При протекании реакций окисления углерода образуется оксид углерода. Пузырьки СО, проходя через ванну, создают эффект кипения. Парци­альное давление водорода в пузырьке, состоящем из СО, равно нулю, поэтому пузырьки СО по отношению к водороду (а также к азоту) являются как бы маленькими вакуумными камерами, и эти газы уходят из металла в пузырьки СО и вместе с ним покидают ванну. Таким образом, при кипении металл очищается от растворенных в нем газов.

Продувка инертными газами.
При продувке металла инерт­ными газами (обычно для этой цели используется самый де­шевый и доступный инертный газ — аргон) через ванну про­ходят тысячи пузырьков газа. Парциальное давление водоро­да в этих пузырьках равно нулю, поэтому они очищают ме­талл от водорода. Одновременно с удалением газов продувка аргоном обеспечивает перемешивание металла, выравнивание его состава, температуры и т.д.

Выдержка закристаллизовавшегося металла при повышенных температурах.
Размеры атомов водорода очень малы, они свободно диффундируют через кристаллическую решетку зак­ристаллизовавшейся стали, особенно при повышенных темпе­ратурах. Из образцов сравнительно небольшого сечения, охлаждаемых медленно в печи или на воздухе, растворенный при высоких температурах водород удаляется почти пол­ностью, до значений растворимости, соответствующих ничтожной равновесной растворимости (в зависимости от содержания Н2
0' в воздухе). Принято содержание водорода в металле выражать в кубических сантиметрах на 100 г массы пробы. Обычно содержание водорода в жидкой стали в зави­симости от метода работы колеблется от 4 до 10 см3
на 100 г металла. Чем больше масса изделия, тем затрудни­тельнее организовать удаление водорода из затвердевшего металла. Поэтому все слитки качественного металла длительное время выдерживают при относительно высоких температурах, для чего в цехах существу­ют специальные пролеты. Для очень больших слитков (* 30 т), из которых отковывают ответственные изделия (коленчатые валы, роторы и т.п.), такой способ уже не дает должного эффекта, и такие слитки отливают под вакуумом.

Добавки гидридообразующих элементов.
Некоторые металлы (например, редкоземельные) способны вступать с водородом во взаимодействие, образуя гидриды. При введении этих элементов в металл развитие таких дефектов, как флокены, уменьшается.

Наложение электрического поля.
Водород, растворенный в жидком металле, находится там в виде катиона Н+
, а в шла­ке—в виде ОН". При наложении достаточно сильного элек­трического поля на катоде выделяется атомарный водород Н+
+ е
= Н, атомы которого ассоциируются в молекулы Н + Н = Н2газ
. На аноде из шлака выделяются пары Н2
0 и 02
: 40Н~ = 2Н2
0 + 02
+ 4е. В промышленных условиях этот способ удаления водорода применения не нашел.

Несмотря на наличие многих методов борьбы с водородом в стали, необходимо использовать все способы, чтобы исключить попадание водорода в металл (минимальная влаж­ность воздуха, кислорода, топлива, минимум влаги в доба­вочных материалах и т.п.).

Азот в стали

Азот почти всегда присутствует в атмосфере сталеплавиль­ного агрегата. Растворение в металле азота, так же как и водорода, п
одчиняется закону квадратного корня [N] =

= Ку р
, следовательно, процесс растворения азота

N2

ra3

может быть записан как N2
ra3

= 2[N]. При обычных темпера­турах сталеплавильных процессов (1450—1600 °С) интенсив­ность перехода азота в металл из газовой фазы невелика. Однако при очень высоких температурах, превышающих 2500 °С (например, в зоне электрических дуг при выплавке стали в дуговых электропечах, в зоне контакта кислородной струи с металлом при продувке ванны кислородом), молекулы азота диссоциируют и скорость проникновения в металл ато­мов азота может резко возрасти.

6. Неметаллические включения

Неметаллическими включениями называют содержащиеся в ста­ли соединения металлов (железа, кремния, марганца, алюми­ния, церия и др.) с неметаллами (серой, кислородом, азо­том, фосфором, углеродом). Количество неметаллических включений, их состав, размеры и характер расположения в готовом изделии оказывают существенное, а иногда решающее влияние на свойства стали. Неметаллические включения уху­дшают не только механические (прочность, пластичность), но и другие свойства стали (магнитную проницаемость, эле­ктропроводность и др.), так как нарушают сплошность мета­лла и образуют полости, в которых концентрируются напря­жения в металле. Неметаллические включения принято разде­лять на две группы: 1) включения, образующиеся в процессе реакций металлургического передела (эндогенные1
включе­ния) и 2) включения, механически попадающие в сталь (эк­зогенные2
включения). Эти включения представляют собой частицы загрязнений, бывших в шихте и не удалившихся из металла в процессе плавки, частицы оставшегося в металле шлака, частицы попавшей в металл футеровки желоба, ковша.

Эндогенные включения непрерывно образуются в металле в процессе плавки, разливки и кристаллизации слитка или от­ливки. Большая часть образовавшихся включений успевает всплыть и удалиться в шлак, однако какая-то часть остает­ся. В литой стали включения присутствуют в виде кристал­лов и глобулей. После обработки давлением (прокатки, ков­ки, штамповки) они меняют форму и расположение и видны под микроскопом в виде нитей, строчек, цепочек, ориенти­рованных преимущественно в направлении деформации.

Эндогенные неметаллические включения образуются в: ре­зультате взаимодействия растворенных в металле компонен­тов или уменьшения их растворимости при застывании стали. Образующиеся включения легче металла (табл. 3), они стре­мятся всплыть. Скорость их всплывания зависит от размеров включений, вязкости металла, смачиваемости включений ме­таллом и шлаком, движения (перемешивания) металла и шла­ка. Размеры обычных включений колеблются в широких преде­лах (0,0001—1,0 мм). Чем меньше размеры включений, тем выше относительная величина поверхности контакта (см2
/см3
) включение — металл, тем больше влияние сил сма­чивания на скорость удаления включений.

Таблица 3. Температура плавления и плотность некоторых неметаллической включен ни

Включения Температура Плотность

плавления, °С при 20 °С, г/см3

Монооксид железа FeO. 1369 5,8

Монооксид марганца МпО 1785 5,5

Кремнезем (кварц, кварцевое стекло)

SiG2
............................ 1710 2,2-2,6

Глинозем (корунд) А12
Оэ
2050 4,0

Оксид хрома Сг2
Оэ
........... 2280 5,0

Оксид титана ТЮ2
........... 1825 4,2

Оксид циркония Zr02
… 2700 5,75

Оксид церия Се2
Оэ
........... 1690 6,9

Сульфид железа FeS...... 1193 4,6

Сульфид марганца MnS 1620 4,0

Сульфид церия CeS .......... 2100 5,9

Силикаты железа (в зависимости от со­ держания Si02
) ......... 1180-1700 2,3-5,3

Силикаты марганца (в зависимости от

содержания SiQ2
) ..... 1210-1700 4,0-5.6

7. Раскисление и легирование стали

Раскисление стали

Технологическую операцию, при которой растворенный в ме­талле кислород переводится в нерастворимое в металле сое­динение или удаляется из металла, называют раскислением. После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при застывании в изложницах ведет себя "спо­койно", из нее почти не выделяются газы, поэтому такую сталь часто называют "спокойной". Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее постепенном ох­лаждении в изложнице будет протекать реакция между раст­воренным в металле кислородом и углеродом [О] + [С] = =
СОгаз
. Образующиеся при этом пузырьки оксида углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл бу­дет бурлить. Такую сталь называют "кипящей".

В некоторых случаях раскисление стали проводят таким образом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставший­ся растворенный кислород вызывает кратковременное "кипе­ние" металла в начале его кристаллизации. Такую сталь на­зывают "полуспокойной".

Глубинное раскисление

Глубинное, или осаждающее, раскисление заключается в пе­реводе растворенного в стали кислорода в нерастворимый окисел введением в металл элемента-раскислителя. Элемент-раскислитель должен характеризоваться большим сродством к кислороду, чем железо. В результате реакции образуется малорастворимый в металле окисел, плотность которого меньше плотности стали. Полученный таким образом "осадок" всплывает в шлак, отсюда название метода "осаждающий". Этот метод раскисления называют часто также "глубинным", так как раскислители вводятся в глубину металла. В ка­честве раскислителей обычно применяют марганец (в виде ферромарганца), кремний (в виде ферросилиция), алюминий, сплавы редкоземельных металлов и др.

Раскисление протекает по следующим реакциям:

[Мп] + [О] = (MnO); [Si] + 2[0] = (Si02
);

2[А1] + 3[0] = А12
Оэтв
; 2[Се] + 3[0] = Се2
Оэтв
и т.д.

Все эти реакции сопровождаются выделением тепла. Рав­новесие реакции осаждающего раскисления сдвигается влево при повышении и вправо при понижении температуры.

Очень часто с целью получения в металле легкоплавких и хорошо всплывающих комплексов применяют так называемые комплексные раскислители, представляющие собой сплав не­скольких раскислителей.

Диффузионное раскисление

При диффузионном раскислении раскислению подвергают шлак. В тех случаях, когда металл не кипит, между значениями активности кислорода в металле и шлаке существует опреде­ленное отношение а
„Ув = const (закон распределения

примесей, растворенных в двух несмешивающихся жидкостях).

Соответственно любой способ уменьшения активности окислов железа в шлаке приводит к снижению окисленности металла. Обычно при диффузионном раскислении на шлак дают смеси, в состав которых входят сильные восстановители: углерод (кокс, древесный уголь, куски угольных электро­дов), кремний (в виде ферросилиция), алюминий.

Синтетические шлаки должны характеризоваться не только возможно более низкими температурой плавления и стои­мостью, но, кроме того, должны удовлетворять еще одному требованию: они должны плохо смачиваться металлом, для того чтобы после перемешивания возможно более полно отде­ляться от него.

Приготовление синтетических шлаков связано с опреде­ленными затратами (на приобретение сырых материалов, строительство и эксплуатацию специального агрегата для их расплавления), однако эти затраты окупаются некоторым сокращением продолжительности плавки стали в сталепла­вильном агрегате и, главное, повышением качества стали.

Существенным достоинством данного метода является так­же повышение стабильности (от плавки к плавке) свойств металла, обработанного синтетическими шлаками одного и того же состава.

Это очень важно для потребителей металла.

Раскисление обработкой вакуумом

Обработка металла вакуумом с целью раскисления основана на использовании раскисляющего действия растворенного в жидкой стали углерода. Константа равновесия реакции [С] + [О] = СОгаз
может быть выражена как Кс

= = рсо
/а а
, или при невысоких содержаниях [С] и [О]

как *1с]
= Рсо
ЛсНО]> откуда [0) =
PCQ
/
Kc

М- Снижение

давления приводит к уменьшению концентрации кислорода в металле, а также к некоторому снижению концентрации угле­рода. Существует даже термин "углеродно-вакуумное" рас­кисление или просто "углеродное" раскисление. Под этим понимается удаление из металла кислорода при понижении давления (при вакуумировании) вследствие его реакции с углеродом.

При обработке вакуумом снижается не только содержание растворенного кислорода, но и количество оксидных неме­таллических включений вообще вследствие протекания реак­ций типа МеО + [С] =
СОгаз
+ Me,
равновесие которых сдви­гается вправо при понижении давления, В тех случаях, когда металл раскислен ферросилицием и алюминием, обра­зуются прочные оксиды Si02
и Al2
03
, разрушить которые можно только под очень глубоким вакуумом в специальных вакуумных печах.

Следует иметь в виду, что при обработке металлов ва­куумом одновременно с разрушением оксидных включений уда­ляются также растворенные в них азот и особенно водород.

Легирование стали

Легированием называют процесс присадки в сталь легирующих элементов, чтобы получить так называемую легированную сталь, т.е. такую сталь, в составе которой находятся спе­циальные (легирующие) примеси, введенные в нее в определенных количествах для того, чтобы сообщить стали какие-либо особые физико-химические или механические свойства.

Легирующими могут быть как элементы, не встречающиеся в простой стали, так И элементы, которые в небольших ко­личествах содержатся во всякой стали (С, Mn, Si, P, S). Очень часто операцию легирования совмещают с операцией раскисления (особенно если металл легируют марганцем, кремнием или алюминием).

Столь различное действие легирующих элементов на поли­морфизм железа объясняется главным образом строением их собственной кристаллической решетки.

В 1-ю группу входят в основном элементы, схожие по форме (изоморфные) строению у-железа.

Во 2-ю группу - элементы, изоморфные а - железу.

Для сталеплавильщиков также важно знать поведение ле­гирующей примеси при плавке стали для того, чтобы выпла­вить металл нужного состава (попасть в анализ) с мини­мальными потерями легирующих материалов. Главное при этом — избежать ненужного взаимодействия легирующих при­месей с кислородом, чтобы уменьшить потери ("угар") леги­рующих и обеспечить получение в стали минимума продуктов окисления легирующих - неметаллических включений, загряз­няющих стали и снижающих их качество.

Иногда для легирования и раскисления стали применяют так называемые экзотермические брикеты. В состав таких брикетов могут входить содержащие легирующий элемент ок­сиды (например, оксиды хрома, марганцевая руда), порошко­образные раскислители и восстановители (например, алюми­ний, магний) и окислители (например, селитра). При выпус­ке металла в ковш, в который загружены подобные брикеты, они "зажигаются", при реакции между восстановителями и окислителями выделяется необходимое количество тепла, ле­гирующие примеси, входящие в состав оксидов, восстанавли­ваются.

Металл при таком методе работы не охлаждается.

Шихтовые материалы сталеплавильного производства.

Материалы, используемые для выплавки стали, принято де­лить на металлосодержащие (металлошихта, металлодобавки), добавочные (флюсы) и окислители. В качестве металлошихты используют: а) чугун (жидкий или твердый); б) стальной (а в некоторых случаях и чугунный) лом; в) продукты прямого восстановления железа из железной руды; г) ферросплавы.

Основную часть металлошихты составляют чугун и сталь­ной лом. В ряде стран в качестве металлошихты использует­ся также продукт прямого восстановления железной руды — металлизованные окатыши (93—98% Fe). Самая дешевая часть металлошихты — стальной лом.

Обычно в мартеновском процессе в шихте содержится при­мерно 50—60 % чугуна (остальное лом), в конвертерном про­цессе 70—90 % шихты — жидкий чугун, остальное — лом, в электросталеплавильном доля чугуна в шихте редко превы­шает 5-25%.

В тех случаях, когда в состав завода входят сталепла­вильные цехи и доменный цех, чугун в сталеплавильный цех поступает в жидком виде. Использование в качестве шихты жидкого чугуна позволяет получать заметную экономию в расходе топлива и сокращает продолжительность плавки.

Если в составе завода нет доменного цеха, то в качест­ве шихты в сталеплавильных агрегатах используют твердый чугун, который поступает на завод в чушках. В отдельных случаях для ускорения плавки и повышения производитель­ности сталеплавильных агрегатов чушковый чугун предвари­тельно расплавляют в "металлургических" вагранках или других плавильных агрегатах.

Второй главной составной частью металлошихты является лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется зна­чительное количество железосодержащего лома. Сбор этого лома и его обработка с целью рационального использования представляют важную народнохозяйственную задачу. Для ее решения существует специальная отрасль — ломоперерабатывающая промышленность, оснащенная сложным оборудованием. Из общего количества образующегося лома около 35 % обра­зуется непосредственно на металлургических заводах (обрезь металла при прокатке, бракованные слитки, скрап и т.д.). Обычно это тяжеловесный лом, химический состав ко­торого известен. Этот лом в основной своей массе исполь­зуют в качестве металлошихты на тех же заводах, где он: образуется.

Второй главной составной частью металлошихты является лом. В любой промышленной стране ежегодно образуется зна­чительное количество железосодержащего лома. Сбор этого лома и его обработка с целью рационального использования представляют важную народнохозяйственную задачу. Для ее решения существует специальная отрасль — ломоперерабатывающая промышленность, оснащенная сложным оборудованием. Из общего количества образующегося лома около 35 % обра­зуется непосредственно на металлургических заводах (обрезь металла при прокатке, бракованные слитки, скрап и т.д.). Обычно это тяжеловесный лом, химический состав ко­торого известен. Этот лом в основной своей массе исполь­зуют в качестве металлошихты на тех же заводах, где он: образуется.

Около 20 % общего количества лома образуется при ме­таллообработке на машиностроительных и им подобных заво­дах (стружка, отходы при штамповке и т.п.); 45-50% от общего количества лома составляет амортизационный лом (отслужившие свой срок машины, рельсы и т.п.), а также металл, извлекаемый при разработке шлаковых отвалов.

В связи с многообразием источников образования этого лома состав его далеко не всегда бывает известен. Иногда этот лом загрязнен содержащими серу смазочными маслами (стружка), цветными металлами (свинцом, алюминием, оло­вом, медью и др.), содержащимися в различных деталях сда­ваемых в лом машин.

Некоторые из этих примесей (свинец, цинк, олово) вред­ны и для обслуживающего персонала, и для агрегатов, и для качества стали. Цинк, например, при нагревании улетучива­ется, а затем в виде оксида оседает на футеровке, на эле­ментах котлов-утилизаторов и других агрегатов, выводя их из строя. Свинец проникает в мельчайшие поры кладки печи. Олово резко снижает прочность стали при повышенных темпе­ратурах.

Приходится учитывать также, что в ряде случаев загру­жаемый в сталеплавильные агрегаты лом покрыт значительным слоем ржавчины, что влияет как на величину угара металла при плавке, так и на технологию плавки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. в 76 Общая металлургия [Текст]: учебник для вузов / Воскобой­ников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. - 6-изд., перераб и доп. -М.: ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с