Образующееся соединение (CaS) растворимо в шлаке, но не растворяется в железе, в результате чего оно переходит в шлак.

При выплавке стали в печи с кислой футеровкой процесс протекает при кислом шлаке (55…58 % SiO₂). Условия для раскисления стали более благоприятные: кремнезем, обладающий сильными кислотными свойствами, связывает FeO в соединение типа FeO·SiO₂. После длительной выдержки под кислым шлаком содержание оксида железа в стали резко уменьшается. Окончательно сталь раскисляют небольшой добавкой ферромарганца.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют кипящие, спокойные и полуспокойные стали.

Кипящая сталь раскисляется в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице с затвердевающим слитком при взаимодействии содержащихся в металле FeO и углерода. Образующийся в результате реакции:

FeO + C = Fe + CO

Оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из нее азота и водорода. Газы выделяются из стали в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений – продуктов раскисления и поэтому обладает хорошей пластичностью. Газовые пузыри, оставшиеся в большом количестве в теле слитка, устраняются при последующей горячей прокатке.

Спокойная сталь получается при полном раскислении ее в печи и ковше при последовательном раскислении металла ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. После введения раскислителей выделение пузырьков СО прекращается и металл «успокаивается». Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая. В верхней части слитка образуется усадочная раковина, значительно снижающая выход годного металла за счет того, что эту часть слитка впоследствии удаляют и отправляют в переплав.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и ковше, а частично в изложнице в результате взаимодействия оксида железа и углерода, содержащихся в стали. В случае необходимости плавку завершают легированием – вводом в сталь легирующих элементов.

Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu и др.), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti и др.), вводят в металл при его раскислении или после него, а иногда непосредственно в ковш.

Основные компоненты в сталях

Постоянными компонентами в углеродистых сталях являются: углерод, марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые компоненты в виде примесей-газов: кислорода, азота и водорода. Кроме того, в этих сталях присутствуют такие случайные компоненты, как Cr, Ni, Cu и др., наличие которых обусловлено загрязненностью шихтовых материалов.

Полезными компонентами являются марганец и кремний, которые, как правило, содержатся в шихте. Их также вводят в сталь при ее раскислении:

FeO + Mn → Fe + MnO

2FeO + Si → 2Fe + SiO₂

Марганец является необходимой примесью в количестве 0,4…0,8 % при производстве различных сталей. В этих пределах он полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали. Марганец, устраняя вредное влияние включений оксида железа (FeO), способствует получению плотных стальных слитков (без газовых пузырей). В отличие от других раскислителей (кремния и алюминия) марганец при взаимодействии с серой:

FeS + Mn → MnS + Fe

предотвращает образование сульфидов железа, повышенное содержание которых является причиной хрупкости стали, особенно при высоких температурах (красноломкость стали).

Кремний при раскислении стали, как и марганец, устраняет вредное влияние оксида железа и способствует получению плотных слитков. Кремний повышает предел текучести стали и уменьшает ее склонность к хладоломкости. Содержание кремния в углеродистых сталях находится в пределах 0,3…0,5 %.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье – передельный чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, способствует ее красноломкости при прокатке и ковке. Сера образует хорошо растворимое в железе соединение FeS (сульфид железа). Благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe-FeS (t _пл = 988 ^оС), которая располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения вышеназванной эвтектики придают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут плавиться и при деформировании заготовки образовывать в ней трещины и надрывы. Поэтому содержание серы в стали должно быть минимальным.

Основной источник фосфора в стали - руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа типом кристаллической решетки, диаметром атомов и их строением, тем самым сильно искажает решетку феррита, делая его хрупким. Обычно включения фосфора располагаются вблизи границ зерен и способствуют их охрупчиванию, повышая температурный порог хладоломкости.

Скрытые примеси – кислород, азот и водород находятся в стали в виде твердого раствора в феррите или образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в стали в виде твердого раствора и особенно сильно охрупчивает ее. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства стали, ухудшая ее пластические характеристики. Поэтому важной операцией для улучшения свойств стали является вакуумирование, т.е. проведение плавки и разливки стали при пониженном давлении, в результате чего происходит частичное удаление газов из жидкой стали.