Получение, состав, структура и свойства стали

Передельный чугун является основным сырьем для производства стали. Кроме того, вместе с чугуном в сталеплавильные агрегаты добавляют металлолом, флюсы, а также – в конце плавки – добавки, называемые раскислителями.

Для выплавки стали применяют три основных типа агрегатов: конвертеры, мартеновские печи, электропечи. Большая часть стали в мире выплавляется в кислородных конвертерах.

Конвертер – металлургический агрегат для получения стали путем продувки кислородом расплавленного чугуна (рис.3). При продувке происходит окисление части примесей в чугуне, в результате чего чугун превращается в сталь, а окисленные примеси переходят в шлак или в газовую фазу.

Рис.3. Схема кислородного конвертера. 1 – жидкий чугун; 2 – кислородная фурма; 3 - летка; 4 – сопло; 5 – горловина; 6 – футеровка; 7 – стальной кожух; 8 – струя кислорода; 9 – отраженная струя; 10 – схема движения металла при продувке

Кислород вдувается через фурму 2, которую можно опускать или поднимать по ходу процесса. Кислород подают под давлением 9-14 атм., что обеспечивает достаточную кинетическую энергию струи и ее требуемое углубление в металл для интенсивного перемешивания. Металл выпускают через летку 3. Шлак сливают через горловину. Для загрузки и разгрузки предусмотрена возможность поворота (наклона) конвертера.

Весь процесс выплавки стали в конвертере занимает 30—50 мин. Емкость современных конвертеров от 70 до 400 т (Размер рабочего пространства крупного конвертера: диаметр 9 м, высота 7 м, диаметр горловины 3,5 м.). Производительность конвертера 400-500 т/ч.

Рассмотрим кислородно-конвертерный процесс по существу протекающих превращений. (Английское слово converter от латинского convertio – превращаю).

Первая стадия процесса – шлакообразование. При продувке кислородом жидкость в конвертере разделяется постепенно на два слоя – металл и шлак.

С началом продувки кислород частично окисляет железо по реакции:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q.

Оксид железа распределяется в определенном соотношении между металлом и шлаком. Также окисляются кислородом примеси кремния и марганца:

Si + O₂ = SiO₂ + Q,

2Mn + O₂ = 2MnO + Q.

При этом содержание кремния и марганца в металле уменьшается, так как их оксиды переходят в шлак.

Фосфор из металла также удаляется в шлак по реакции с известью:

2Р + 5FeO + 4CaO = (CaO)₄P₂O₅ +5Fe + Q

Сера, находящаяся в металле в виде сульфида, также взаимодействует с известью:

FeS + CaO = CaS + FeO + Q.

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Протеканию последней реакции препятствует значительное содержание FeO в шлаке, поэтому сера из металла удаляется с трудом.

Самая главная вторая стадия процесса – выгорание углерода – протекает по реакции:

FeO + C = Fe + CO – Q

Реакция названа главной, потому что именно благодаря этому взаимодействию чугун с уменьшением содержания углерода становится сталью.

Если предоставить приведенной реакции протекать до полного израсходования углерода, то вместо твердой стали получится мягкое железо, практически не содержащее углерода. Поэтому следующая стадия процесса направлена на то, чтобы остановить последнюю реакцию при заданном содержании углерода. Для этого из системы необходимо удалить оксид железа, который и сам по себе является вредной примесью в стали.

Заключительная стадия процесса называется раскисление. В зависимости от типа раскисления получается сталь разного качества, тип раскисления указывается в маркировке сталей, поэтому рассмотрим заключительную стадию выплавки стали более подробно.

Вещества, взаимодействующие с оксидом железа и, тем самым, останавливающие реакцию выгорания углерода, называются раскислителями. Раскислители добавляют, когда содержание углерода в стали в результате его выгорания приблизилось к заданному. К раскислителям в принципе могут относиться все элементы, имеющие сродство к кислороду больше, чем у железа, т.е. способные вытеснять железо из его оксида (FeO). В металлургии применяют обычно три раскислителя: марганец в виде ферромарганца, кремний в виде ферросилиция и алюминий.

Раскисление стали ферромарганцем: FeO + Mn = MnO + Fe. Большая часть оксида марганца при этом переходит в шлак. Марганец, однако, является слабым раскислителем, потому что в его сродство к кислороду лишь немного больше, чем у железа. Раскисление не доходит до конца, т.е. в стали остается к моменту разливки еще оксид железа и, как следствие, реакция выгорания углерода продолжается во время разливки стали. При этом выделяющиеся пузырьки газа (СО) создают впечатление кипения. Поэтому сталь, раскисленную ферромарганцем, называют кипящей. Кипящая сталь после отвердевания получается невысокого качества, потому в ней могут содержаться микродефекты в виде газовых пузырьков и остается вредная примесь – оксид железа, – снижающая прочность и коррозионную стойкость.

Для получения стали более высокого качества на второй стадии раскисления (после ферромарганца) в конвертер добавляют ферросилиций: 2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe. Раскисление получается более полным, газовыделение при разливке слабое, FeO в стали остается очень мало. Сталь называют полуспокойной.

И, наконец, чтобы полностью остановить реакцию выгорания углерода, четко зафиксировать остаточное содержание углерода в стали и полностью освободить металл от примеси FeO, применяют третью стадию раскисления, где в качестве раскислителя используется алюминий: 3FeO + 2Al = Al₂O₃ + 3Fe. Сталь, раскисленная в три стадии, называется спокойной. Ее качество выше, чем у полуспокойной и кипящей.

Элементный состав стали: углерод – менее 2,14 % (практически не более 1,4 %), кремний – до 0,5 %, марганец – до 0,8 %, сера – до 0,06 % в обычных сталях, фосфор – до 0,05 %. Сталь с малым содержанием углерода более пластична и лучше сваривается, а высокоуглеродистые стали – имеют большую твердость, но малую пластичность и ударную вязкость. Кремний и марганец при указанном выше содержании в стали практически не влияют на ее свойства. Сера – вредная примесь, она образует с железом легкоплавкое соединение (сульфид железа), из-за этого стальные заготовки ломаются при горячей обработке (это явление называется красноломкостью). Марганец частично нейтрализует вредное действие серы, образуя с ней тугоплавкий сульфид марганца. Фосфор в сталях – также вредная примесь, он увеличивает хрупкость стали при пониженной температуре (хладноломкость).

В металлургическом процессе можно изменять состав и свойства стали путем введения так называемых легирующих добавок, которые вводят в состав стали химические элементы, существенно влияющие на ее свойства. Стали, содержащие химические элементы, введенные с добавками, называют легированными. Легирующими элементами в стали могут быть хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, кобальт, марганец, кремний, медь и др.

Легирующие добавки (по отдельности или в комплексе) могут модифицировать свойства стали в очень широких пределах: увеличивать прочность, твердость, коррозионную стойкость стали, придавать ей жаропрочность, особые магнитные характеристики, заданные коэффициенты линейного расширения, неизменность упругих свойств и т.п.

(в теме также применение металлов в строительстве, получение изделий из металла методом ОМД, классификация и маркировка сталей, чугунов и цветных сплавов)