§ 45. Производство стали

Определения и обозначения

Сталь — сплав железа с углеродом и другими элементами; массовая доля углерода в ней обычно не превышает 2,14%. Чугуны содержат больше углерода, поэтому сталь и чугун различаются не только названием, но и составом и свойствами. Это различие помогает понять, почему для получения стали приходится менять состав расплава.

Передельный чугун — продукт доменной плавки, предназначенный для дальнейшей переработки в сталь. В нём есть железо, углерод и примеси, например кремний, марганец, фосфор и сера. Их избыток удаляют, чтобы получить металл с подходящими механическими свойствами и заданным составом.

Конвертерное производство стали — способ получения стали окислением примесей жидкого чугуна технически чистым кислородом в конвертере. Конвертер — агрегат, в котором расплав обрабатывают кислородной струёй. Метод позволяет быстро переработать большие объёмы чугуна.

Электросталеплавильное производство — получение стали в электрической печи, где шихту нагревает электрическая дуга. Шихтой называют исходную смесь материалов: это может быть металлолом, чугун и легирующие добавки. Такой способ удобен, когда нужно точно регулировать состав и получать качественные легированные стали.

Как это устроено

Чугун нельзя без изменений использовать для тех изделий, которым нужны прочность и пластичность: высокое содержание углерода и примесей делает металл более хрупким. Поэтому задача передела — не восстановить железо из руды, а изменить уже полученный металлический расплав. Количество удаляемых компонентов выбирают с учётом того, какую сталь требуется получить.

При конвертерном процессе в агрегат загружают жидкий передельный чугун и металлический лом, затем подают кислород. Лом помогает использовать вторичное сырьё и участвует в формировании состава шихты. Кислород вступает в реакции с примесями; выделяющееся при окислении тепло поддерживает высокую температуру расплава.

Углерод окисляется с образованием газов: например, C + O₂ → CO₂; в реальном расплаве может образовываться и CO. Кремний переходит в диоксид кремния: Si + O₂ → SiO₂. Марганец и фосфор также окисляются: 2Mn + O₂ → 2MnO, 4P + 5O₂ → 2P₂O₅. Эти реакции уменьшают содержание примесей в металле.

Оксиды кремния, фосфора и других элементов не должны оставаться в стали, поэтому в расплав вводят флюсы. Они связывают оксиды и способствуют образованию шлака — отдельной расплавленной фазы, которую можно удалить. Оксиды углерода, напротив, покидают металл в виде газообразных продуктов. Так из расплава удаляются разные примеси разными путями.

Способ выплавки выбирают по нужной производительности, сырью и требованиям к стали. Кислородно-конвертерный процесс быстро перерабатывает жидкий чугун, а электроплавка позволяет точнее управлять температурой и составом и особенно полезна для качественных и легированных сталей. Мартеновский способ допускал разнообразную шихту, но из-за развития более современных технологий почти не применяется. Его стоит знать как важный этап истории металлургии.

Основные способы производства стали

Сравнивайте способы по строкам: так видно, какое сырьё и источник энергии использует каждый процесс. Столбец мартеновского способа показывает его особенности, но не означает, что он сегодня равен по распространённости современным методам.

Разбор задач

1. Сталь или чугун по доле углерода

Определите, какие сплавы с массовой долей углерода 0,2%, 1,5%, 2,8% и 4,3% относятся к сталям, а какие — к чугунам. Для классификации используем границу: содержание углерода в стали обычно не превышает 2,14%. Сравниваем с ней каждое значение, не округляя его через границу.

1. Для 0,2%: 0,2% меньше 2,14%, значит, это сталь.
2. Для 1,5%: 1,5% меньше 2,14%, значит, это сталь.
3. Для 2,8% и 4,3% значения больше 2,14%, поэтому эти сплавы относят к чугунам.

Ответ: стали — сплавы с 0,2% и 1,5% углерода; чугуны — с 2,8% и 4,3%. Классификация здесь основана на содержании углерода, а не на том, как сплав назван в условии.

2. Уравнения окисления примесей

Запишите реакции окисления углерода, кремния, марганца и фосфора при превращении чугуна в сталь. Сначала определим продукты: для углерода это CO₂, для кремния — SiO₂, для марганца — MnO, для фосфора — P₂O₅. Затем уравняем число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Углерод: C + O₂ → CO₂.
2. Кремний: Si + O₂ → SiO₂.
3. Марганец: 2Mn + O₂ → 2MnO.
4. Фосфор: 4P + 5O₂ → 2P₂O₅.

Ответ: уравнения приведены в уравненном виде. Важно не оставлять примеси в виде простых веществ: при переделе они окисляются, а их оксиды затем удаляются из расплава или связываются шлаком.

3. Масса удалённого углерода и углекислого газа

Из 5 т чугуна с массовой долей углерода 4,5% получают сталь с долей углерода 0,5%. Считаем, что масса стали равна массе исходного чугуна: удалением углерода пренебрегают при определении выхода металла. Сначала найдём, сколько углерода было в чугуне и осталось в стали, затем вычислим разность.

1. Масса углерода в чугуне: 5 т · 0,045 = 0,225 т.
2. Масса углерода в стали: 5 т · 0,005 = 0,025 т.
3. Удалённый углерод: 0,225 т − 0,025 т = 0,200 т, то есть 200 кг.
4. По уравнению C + O₂ → CO₂ из 12 г C получается 44 г CO₂. Поэтому m(CO₂) = 0,200 т · 44/12 ≈ 0,733 т.

Ответ: удалено 0,200 т углерода; образовалось примерно 0,733 т CO₂. Расчёт количества газа опирается на условие, что весь удалённый углерод превратился именно в диоксид углерода.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что сталь получают восстановлением оксидов железа. Такую мысль легко перенести из темы доменной плавки, где из руды получают чугун. При переделе уже полученного чугуна основная задача — окислить избыток углерода и примеси; проверьте, какой металл и какие вещества указаны в исходном условии.

Ошибка: различать чугун и сталь только по названию продукта. Название само по себе не объясняет свойства сплава, поэтому классификацию проверяют по составу, прежде всего по массовой доле углерода. Сопоставьте её с границей около 2,14% и не забывайте, что в сплавах есть и другие элементы.

Ошибка: записывать кремний, марганец или фосфор как продукты реакции в виде простых веществ. При плавке эти элементы окисляются, поэтому среди продуктов должны появиться их оксиды. Самопроверка простая: убедитесь, что кислород есть в правой части уравнения и число атомов каждого элемента уравнено.

Ошибка: не учитывать флюсы и шлак, будто образовавшиеся оксиды сами исчезают из расплава. Это происходит потому, что внимание часто сосредоточено только на уравнениях окисления. Проверьте, куда переходят продукты: оксиды связываются флюсами и входят в шлак, который отделяют от металла.

Связь с другими темами

Для понимания производства стали нужны знания о строении и свойствах сплавов, различии чугуна и стали, а также об окислительно-восстановительных реакциях. В частности, важно уметь определять продукты окисления и уравнивать реакции. Доменное производство чугуна — предыдущий этап металлургической цепочки: его продукт становится сырьём для получения стали.

Дальше эта тема пригодится при изучении коррозии металлов, свойств конструкционных и легированных сталей и экологических проблем металлургии. Состав сплава связан с его свойствами, а сам процесс выплавки требует учитывать образование газов и шлака. Поэтому химические реакции помогают объяснить и производство, и дальнейшее применение металлов.

Что запомнить

• Сталь — сплав железа с углеродом и другими элементами; углерода в ней меньше, чем в чугуне.
• Основной промышленный принцип получения стали — удаление избытка углерода и примесей окислением.
• В кислородном конвертере окислителем служит технически чистый кислород.
• Оксиды примесей связываются флюсами и переходят в шлак.
• Основные современные способы выплавки стали — кислородно-конвертерный и электросталеплавильный.
• Электроплавка позволяет точно регулировать состав и получать качественные легированные стали.