§ 52. Производство ста

Определения и обозначения

Сталь — сплав железа с углеродом и примесями, причём углерода в ней меньше, чем в чугуне. Сталь служит основным конструкционным материалом: из неё изготовляют здания, машины и инструменты. Нужное содержание углерода позволяет сочетать прочность металла с возможностью обрабатывать его.

Кислородно-конвертерный способ — получение стали продувкой жидкого чугуна кислородом в конвертере, специальном сосуде для выплавки металла. Кислород помогает окислить избыток углерода и примеси, а выделившееся тепло поддерживает расплав. Способ позволяет быстро перерабатывать большие объёмы чугуна.

Электросталеплавильный способ — выплавка стали в электропечи за счёт тепла электрической дуги. Дуга нагревает и расплавляет шихту — загруженные в печь материалы. Такой способ удобен, когда требуется точно контролировать состав стали или использовать много лома.

Легирование стали — введение в неё специальных элементов, чтобы придать металлу заданные свойства. Например, добавки могут повысить твёрдость, жаростойкость или сопротивление коррозии. Легирование не заменяет удаление вредных примесей: это отдельный этап настройки состава.

Как это устроено

Основными исходными материалами служат чугун и стальной лом. В чугуне много железа, но содержание углерода и ряда примесей слишком велико для стали; лом уже содержит железо в нужном для повторной переработки виде. При плавке необходимо уменьшить содержание углерода, а также удалить или снизить количество кремния, марганца, фосфора и других нежелательных компонентов. Соотношение чугуна и лома помогает получить нужный состав и температуру расплава.

В конвертер подают жидкий чугун и направляют на него струю кислорода. Кислород реагирует с углеродом, кремнием, марганцем и фосфором, переводя их в оксиды. Например, углерод образует CO и CO₂, а кремний и марганец — SiO₂ и MnO. Окисление выделяет тепло, поэтому расплав сохраняет высокую температуру и может плавить добавленный лом без отдельного источника тепла.

Оксиды не должны оставаться в готовом металле: они ухудшили бы его свойства. Для их удаления добавляют флюсы — вещества, которые связывают нежелательные компоненты и помогают образовать шлак, отдельный расплав над металлом. Известь связывает, в частности, оксиды фосфора и кремния; шлак затем отделяют от стали. Газообразные продукты, например CO, удаляются из конвертера вместе с отходящими газами.

В конвертере основную работу выполняют кислородная струя и теплота окисления примесей, поэтому процесс особенно производителен при переработке жидкого чугуна. В электропечи металл нагревается электрической дугой, а состав шихты и добавок можно тщательно подбирать. Это делает электроплавку удобной для переработки стального лома и получения легированных сталей с точным составом. В обоих случаях образуются газы и шлак, которые необходимо отделять от металла.

Когда содержание углерода достигает требуемого уровня, окисление прекращают: продолжение продувки могло бы удалить углерода больше, чем нужно. В расплаве может оставаться растворённый кислород, поэтому проводят раскисление — связывают его добавками-раскислителями. Затем при необходимости вводят легирующие элементы, чтобы получить заданные свойства стали. Подготовленный металл разливают в формы или изложницы.

Основные способы производства стали

Сравнивайте способы по сырью и источнику тепла: это объясняет, для каких задач удобен каждый из них. Завершающие операции у способов совпадают, хотя состав расплава и режим плавки могут различаться. По строкам об удаляемых примесях и продуктах окисления можно проследить, как очищают металл.

Разбор задач

Задача 1. Записать уравнения окисления углерода, кремния и марганца при продувке чугуна кислородом и указать, что переходит в газовую фазу, а что — в шлак.

1. Записываем уравнение для углерода: 2C + O₂ → 2CO. Угарный газ CO — газообразный продукт; часть углерода может окисляться дальше: C + O₂ → CO₂.
2. Для кремния и марганца составляем уравнения: Si + O₂ → SiO₂; 2Mn + O₂ → 2MnO.
3. CO и CO₂ уходят с отходящими газами, а оксиды SiO₂ и MnO связываются флюсами и переходят в шлак.

Ответ: углерод удаляется преимущественно в виде CO и CO₂, оксиды кремния и марганца — со шлаком.

Задача 2. Из 1000 кг чугуна с содержанием углерода 4,0% получают сталь с содержанием углерода 1,0%. Считать массу металла неизменной. Найти массу удалённого углерода.

1. Сначала определяем массу углерода в исходном чугуне: 1000 · 0,040 = 40 кг.
2. При неизменной массе металла масса стали равна 1000 кг. В ней остаётся углерод массой 1000 · 0,010 = 10 кг.
3. Вычитаем остаток из начальной массы углерода: 40 − 10 = 30 кг.

Ответ: удалено 30 кг углерода. Разность массовых долей сама по себе не является массой: её нужно умножать на массу металла.

Задача 3. Найти объём кислорода при нормальных условиях для окисления 30 кг углерода до угарного газа по уравнению 2C + O₂ → 2CO.

1. Переводим массу углерода в граммы и находим количество вещества: n(C) = 30 000 / 12 = 2500 моль.
2. По уравнению реакции на 2 моль C требуется 1 моль O₂, значит n(O₂) = 2500 / 2 = 1250 моль.
3. При нормальных условиях 1 моль газа занимает 22,4 л. Поэтому V(O₂) = 1250 · 22,4 = 28 000 л = 28 м³.

Ответ: потребуется 28 м³ кислорода при нормальных условиях. Результат относится именно к заданному уравнению образования CO.

Типичные ошибки

• Считать, что сталь получают простым охлаждением чугуна. Это неверно: охлаждение не удаляет избыток углерода и примеси. Ошибка возникает из-за представления, будто достаточно изменить температуру расплава. Проверьте себя: если состав не изменился, перед вами всё ещё не сталь заданного состава.
• Записывать окисление углерода только как образование CO₂. В условиях конвертера значительная часть углерода образует CO. Чтобы проверить уравнение, учитывайте реальные продукты процесса и баланс атомов: допустимы оба продукта окисления.
• Считать оксиды кремния, фосфора и марганца частью готовой стали. Их связывают флюсы, после чего соединения переходят в шлак. Путаница появляется, если не различать металлический расплав и отдельный шлаковый слой. Проверьте, куда уходит продукт реакции: оксиды не следует записывать как компоненты готовой стали.
• Путать легирование с очисткой стали. Вредные примеси стремятся удалить, а легирующие элементы вводят намеренно ради нужных свойств. Их можно различить по цели добавления: очистка снижает содержание нежелательных веществ, легирование задаёт свойства сплава.

Связь с другими темами

Для понимания производства стали нужны знания о железе, чугуне, сплавах и массовой доле элемента. Уравнения окисления помогают связать превращения примесей с их удалением, а расчёты по уравнениям реакций позволяют находить массы веществ и объёмы газов. Эти навыки пригодятся при изучении коррозии, материаловедения и металлургии. Тема также показывает, как химические реакции применяют в промышленности для создания материалов с заданными свойствами.

Что запомнить

• Сталь содержит меньше углерода, чем чугун.
• Главная цель производства стали — уменьшить содержание углерода и удалить вредные примеси.
• В конвертере примеси окисляются кислородом.
• Оксиды примесей связываются флюсами и переходят в шлак.
• Электропечи позволяют точно регулировать состав стали и получать специальные сплавы.
• После выплавки проводят раскисление, легирование и разливку стали.