Способи виробництва сталі

РОЗДІЛ 4 ПРОМИСЛОВЕ ВИРОБНИЦТВО НАЙВАЖЛИВІШИХ НЕОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН

§ 76. Способи виробництва сталі

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

Пояснювати способи виробництва сталі й прямого відновлення заліза з руди;

Записувати рівняння реакцій, що ілюструють хімізм виробництва сталі;

Порівнювати різні способи добування сталі, знати їх переваги і недоліки.

Сталь виплавляють з чавуну і брухту. У процесі переробки чавуну на сталь у сплаві зменшується вміст вуглецю (масова частка його в сталі не перевищує 2 %), силіцію,

фосфору, сірки, мангану. Видалення цих домішок грунтується на реакціях окиснення киснем або оксидами Феруму в розплаві. Отже, сталь – це ковкий сплав заліза з вуглецем та іншими домішками (металами і неметалами).

У процесі виплавляння сталі відбуваються складні процеси. Оксиген, який міститься в руді, і кисень, що надходить з повітрям у піч для спалювання газуватого палива, окиснює вуглець і значну кількість заліза:

Утворений ферум(ІІ) оксид FeO, а також оксиди Феруму, що містяться у брухті, за високої температури взаємодіють із силіцієм, манганом та іншими домішками,

які містяться у чавуні:

FeO + С = Fe + СО

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

FeO + Mn = Fe + MnO

5FeO + 2Р = 5Fe + Р2О5

Утворені оксиди взаємодіють з флюсами, які вносять у піч під час виплавки сталі. При цьому утворюються шлаки. Вони легко видаляються з печі. Для видалення ферум(ІІ) оксиду, який ще залишається в сталі, у розплавлену сталь додають розкисники (манган, ванадій, титан), що взаємодіють з надлишковим FeО:

FeО + Mn = Fe + МnО

Утворені оксиди переходять у шлак.

Під час виплавляння сталей до них додають легуючі добавки – кобальт, нікель, ванадій, хром, вольфрам, молібден, титан та інші метали. Це дає змогу виробляти сталі різного складу, що мають підвищену міцність, корозійну стійкість (неіржавна сталь), високу стійкість до спрацювання тощо.

Є кілька способів добування сталі: киснево-конвертерний, мартенівський, електротермічний.

В основу конвертерного способу виробництва сталі покладено розробки англійського винахідника Генрі Бесемера (1856). Він запропонував переробляти рідкий чавун (з незначним вмістом фосфору і сірки), продуваючи його повітрям. Паливо у цьому разі не потрібне. Процес відбувається мимовільно за рахунок теплоти екзотермічних реакцій і триває 12 – 15 хв. Однак через низький вміст кисню в повітрі неможливо було досягти потрібних температури й інтенсивності окисно-відновних процесів. Сталь була низької якості. З розвитком виробництва кисню створились умови для вдосконалення способу Бесемера. В другій половині ХХ ст. його замінив киснево-конвертерний спосіб.

За киснево-конвертерним способом кисень продувають крізь розплавлений чавун у спеціальних апаратах – конвертерах (мал. 138). Це високопродуктивний спосіб, що дає змогу добувати сталь високої якості.

Мартенівський спосіб розробив французький металург П’єр Мартен у 1864 р. Він сконструював піч, в яку завантажуються чавун, брухт і певна кількість руди. У піч вводяться попередньо нагріті повітря і паливо, під час згоряння якого утворюється факел з температурою майже 1900 °С. Метал і руда плавляться, і в розплав уводяться добавки, потрібні для виплавляння сталі заданого складу. Вигоряння домішок відбувається переважно за рахунок кисню повітря. Процес плавлення триває 8 – 10 год.

Мал. 138. Кисневий конвертер

Мал. 139. Схема електропечі. Використовується енергія електричної дуги (температура перевищує 3000 °С)

За мартенівським способом кисень або повітря пропускають над розплавленим чавуном. При цьому залізо окиснюється в поверхневому шарі. Перевага мартенівського способу полягає в тому, що процес переробки чавуну на сталь можна контролювати і виробляти сталі різних марок. Однак він менш економічний, ніж конвертерний. Тому останнім часом виплавка сталі за цим способом скорочується.

За електротермічним способом, що відомий з 1880 р., сировиною здебільшого є брухт, до якого додають трохи чавуну. Окиснення вуглецю, фосфору та деяких інших домішок здійснюється також киснем і оксидами Феруму, що містяться в брухті. Електропечі (мал. 139) дають змогу досягати вищої температури розплаву, ніж це можливо в інших печах, тому цей спосіб найчастіше застосовують для виплавки сталей, легованих тугоплавкими металами.

Пряме відновлення заліза з руди. Доменний процес переробки залізної руди нині є застарілим. Дедалі більше підприємств орієнтуються на пряме відновлення, тому нових доменних печей у світі вже не будують.

Для прямого відновлення заліза руда ретельно очищується від домішок. Як відновник використовується водень:

Fe2O3 + 3Н2 = 2Fe + 3Н2О

Інший ефективний відновник – природний газ:

З очищеної руди і невеликої кількості коксу готують залізорудні кульки (окатиші, інакше – окотки), які подають у циліндричну обертову піч, що має невеликий ухил. Окатиші поступово пересуваються до нижньої частини печі, куди за принципом протитечії надходить природний газ або повітря з газуватими відновниками – водяним газом (СО + Н2) і воднем Н2. Відновлення відбувається за температури, нижчої за температуру плавлення заліза. Тому залізо утворюється в твердому стані (губчасте) у вигляді окатишів, які переплавляються в електропечах, і, обминаючи стадію утворення чавуну, одержують сталь з масовою часткою Fe 98 – 99 %.

Добування заліза високої (надвисокої) чистоти. У багатьох галузях застосовують залізо лише високого ступеня чистоти. Його добувають карбонільним методом, в основі якого лежить реакція сполучення технічного заліза з карбон(ІІ) оксидом:

Fe + 5СО = [Fe(СO)5]

Утворений ферумпентакарбоніл – рідина, яку легко відокремити від домішок перегонкою. За температури майже 250 °С карбоніл розкладається з утворенням чистого заліза у вигляді порошку:

Добутий порошок розплавляють у вакуумі або в атмосфері водню (чому?) і добувають метал з масовою часткою Fe до 99,999 %.

Коротко про головне

Сировиною для виробництва сталі є чавун, брухт і залізна руда. Сталь виробляють киснево-конвертерним, мартенівським і електротермічним способами. Це дає змогу зменшити у сталі вміст домішок (С, Si, P, S, Mn) за допомоги їх окиснення – частково Оксигеном, який міститься в руді та брухті, а частково – киснем повітря або кисневого дуття, що надходить у піч для спалювання палива.

Легуючі добавки – метали Co, Ni, V, Cr, W, Mo, Ti – дають змогу виробляти сталь заданої якості (неіржавну, підвищеної міцності тощо).

Виробництво сталі і чавуну принципово різниться: виплавляння сталі – це процес окиснення, спрямований на зменшення вмісту вуглецю та інших домішок; доменний – процес відновлення.

Найефективнішим способом добування сталі є киснево-конвертерний, а найперспективнішим – прямого добування заліза з руди.