Содержание серы в металле

Обновлено: 08.01.2025

Сталь - наиболее распространенный сплав железа с углеродом, в который входит ряд неизбежных примесей (Мп, Si, S, Р, О, N, Н и др.). Все они оказывают влияние на свойства стали, поэтому химический анализ - обязательный элемент системы качества на предприятии.

Анализ на углерод. Углерод - основной компонент стали, который представлен в ней в разных формах, и определяет его марку и основные свойства.
Анализ на серу и фосфор. Сера и фосфор трудноудаляемые элементы, которые попадают при выплавке стали в основном из чугуна. Они считаются вредными примесями, так как ухудшают качество стали. Максимально допустимое содержание серы не более 0,06%, а фосфора - 0,05%. В ходе плавки металла стараются провести мероприятия по десульфурации и дефосфорации, чтобы снизить влияние этих элементов.

Влияние углерода, серы и фосфора на качество стали

Определение углерода, серы и фосфора в стали для металлургов, литейщиков и машиностроителей имеет первоочередную важность. Это позволяет получить качественную продукцию и исключить неисправимый брак. Государственные стандарты регламентируют содержание примесей в стали и методы определения их содержания.

Углерод в стали

Углерод - полиморфный неметаллический элемент, который способен растворяться в железе в жидком и твердом состоянии с образованием твердых растворов - феррита и аустенита. Кроме этого, он создает с железом химическое соединение - цементит (Fe3C), и может быть представлен в высокоуглеродистых сталях в виде графита.

В зависимости от содержания углерода стали классифицируются на:

низкоуглеродистые (до 0,3% С);
среднеуглеродистые (0,3-0,6% С);
высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Содержание углерода оказывает влияние на структуру стали, количество и соотношение фаз, поэтому определяет показатели твердости и пластичности металла. При повышении содержания углерода происходит снижение ударной вязкости, и повышается порог хладноломкости. Увеличение концентрации C приводит к изменению и электрических свойств: растет сопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

С ростом углерода происходит ухудшение литейных свойств, обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость. Обработка резанием низкоуглеродистых сталей также затрудняется.

Сера в стали

Сера - вредная примесь, основными источниками которой служат передельный чугун и руда, используемые при выплавке стали. Она способна растворяться в жидком железе, а в процессе кристаллизации образует FeS. Сульфид железа образует с железом эвтектику с низкой температурой плавления, которая располагается по границам зерен. При технологическом нагреве до температуры обработки металла давлением она оплавляется, а при деформировании становится причиной надрывов и трещин. Это явление называется красноломкостью, так как сталь при температуре 900-1000℃ становится ярко-красного цвета.

Повышение содержания серы нелинейно влияет на порог хладноломкости: сначала происходит его повышение, а при повышении содержания MnS он понижается. Негативное влияние сера оказывает на свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор в стали

Фосфор относится к вредным примесям стали, источником которой служат шихтовые материалы, в основном - чугун. Он способен в значительных количествах растворяться в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки. Одновременно с этим происходит увеличение временного сопротивления и предела текучести, уменьшение пластичности и вязкости. Увеличение содержания фосфора становится причиной повышения порога хладноломкости и уменьшения работы развития трещины.

Фосфор в значительной мере подвержен ликвации, что приводит к резкому снижению вязкости в центральной части слитка. В настоящее время технологии глубокой очистки стали от фосфора не существует.

Оптико-эмиссионный спектральный анализ C, S, P.

Оптико-эмиссионные спектрометры - универсальные приборы, которые способны решать широкий круг аналитических задач. В основу их работы лежат принципы атомно-эмиссионного спектрального анализа элементного состава вещества:

спектр возбужденных атомов и ионов индивидуален для каждого элемента;
интенсивность спектральной линии находится в зависимости от концентрации элемента в исследуемой пробе.

Эмиссионные спектральные приборы находят широкое применение в металлургии, что обусловлено следующими преимуществами метода:

Возможность исследования проб в различном агрегатном состоянии.
Анализ носит неразрушающий характер.
Количество исследуемых элементов практически не ограничено. В их число входят углерод, сера и фосфор, которые представляют особый интерес для металлургов.
Для проведения исследования в качестве пробы достаточно малого количества вещества.
Высокая чувствительность и точность.
Экспрессность.
Возможность проведения сертификационного анализа.

Для анализа углерода, серы и фосфора с использованием эмиссионных спектрометров должны быть созданы в приборе определенные условия, а именно: бескислородная атмосфера. В противном случае определить элементы, длина волны которых короче 185 нм, не представляется возможным. В настоящее время удаление кислорода в приборе осуществляется двумя способами:

путем прокачки инертным газом;
вакуумированием.

Каждая из систем декислородизации имеет определенные особенности эксплуатации и обслуживания, поэтому при выборе прибора для анализа углерода, серы и фосфора следует учитывать их преимущества и недостатки. Это позволит подобрать спектрометр, который оптимально соответствует аналитической задаче, требованиям к точности результатов исследований и имеет удовлетворительные экономические показатели.

Оптико-эмиссионные приборы, предусматривающие прокачку инертным газом

В спектральных приборах для декислородизации используют чаще всего аргон. Для удаления кислорода предусматривается одна из следующих систем:

Открытая. В результате продувки происходит вытеснение кислорода, а инертный газ удаляется из прибора в окружающую атмосферу.
Замкнутая. При прохождении инертного газа происходит захват кислорода, который в дальнейшем очищается с помощью фильтра. Газ продолжает движение по замкнутой системе, давление в которой обеспечивает насос.

Приборы с открытой системой декислородизации отличаются простотой конструкции и меньшей стоимостью. Однако в этом случае степень очистки находится на низком уровне, а аргон расходуется безвозвратно. Применение подобных спектрометров целесообразно при пониженных требованиях к аналитическим характеристикам, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя.

Конструкция приборов с замкнутой системой декислодизации усложняется, так как для обеспечения функциональности необходимы дополнительные компоненты и их обслуживание:

Насос с блоком питания.
Баллон с газом для компенсации потерь.
Дополнительный фильтрующий элемент.

Каждый из этих компонентов прибора требует обслуживания, а расходные материалы - замены, что связано с дополнительными расходами. Кроме этого, в результате непрофессиональных действий обслуживающего персонала возникает риск завоздушить систему при замене фильтра. Ликвидация последствий этого требует не только с дополнительных материальных затрат, но и времени.

Оптико-эмиссионные приборы с системой вакуумирования

Система вакуумирования позволяет получить низкую остаточную концентрацию кислорода, которая во много раз ниже, чем в открытой системе декислородизации, и сопоставима с лучшими результатами, полученными в замкнутых. Следует отметить, что при этом нет необходимости использования инертного газа.

Такая система удаления кислорода применяется в наиболее совершенных спектральных приборах. В них установлен масляный насос, который дополняется специальными ловушками для масла. Кроме этого, предусмотрен клапан, который при аварийном отключении электропитания, не допускает повреждения спектрометра маслом в результате его проникновения в вакуумную магистраль.

Двухступенчатые масляные форвакуумные насосы - наиболее предпочтительное оборудование по сравнению безмасляными мембранными моделями. Они имеют сопоставимую стоимость, но при этом в десятки раз превосходят последние по степени удаления кислорода, а также обладают значительным ресурсом и намного проще в обслуживании.

Универсальные настольные и стационарные спектрометры Искролайн 100/300 - отличные образцы приборов, в которых для удаление кислорода реализована система вакуумирования. Они способны определять более 70 элементов, в число которых входят углерод, сера и фосфор, с пределом детектирования до 0,0001% Приборы позволяют быстро и точно проводить спектральный анализ сталей, и отличаются высоким спектральным разрешением, высокой сходимостью результатов измерений и высоким качеством изготовления.

Влияние серы на свойства стали, возможности десульфурации и поведение серы в условиях окислительной плавки

Сера имеет неограниченную растворимость в жидком железе и ограниченную – в твердом железе. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются сульфиды железа, которые могут образовать легкоплавкую эвтектику с железом, вызывающую явление красноломкости при нагревании слитков перед прокаткой или ковкой. Красноломкость проявляется сильнее в литой стали в виде трещин или рванин, потому что сульфиды и оксисульфиды скапливаются по границам первичных зерен.

В процессе горячей деформации (прокатки, ковки) сульфидные включения легко деформируются и вытягиваются в строчки по направлению деформации. Строчечные сульфидные включения нарушают сплошность структуры металла, и, если нагрузка на готовое изделие направлена поперек оси деформации (перпендикулярно сульфидным строчкам), металлическая матрица разрушается по границе раздела с сульфидами; в результате снижается пластичность стали в поперечных образцах. В случае испытания образцов металла при низких температурах сульфиды резко снижают пластичность и повышают порог хладноломкости. В частности, низкое содержание серы (и соответственно малое количество сульфидов) очень важно иметь в стали, применяемой при производстве труб большого диаметра для газопроводов, прокладываемых по Крайнему Северу ([S]

В то же время большое количество конструкционных сталей используется для изготовления изделий, у которых основные нагрузки – в направлении вдоль оси прокатки. В таком случае особо низкого содержания серы в металле не требуется, так как сера оказывает благоприятное влияние на обрабатываемость стали на металлорежущих станках (сера увеличивает хрупкость стружки и не дает возможности образования так называемой витой стружки). Поэтому в большинстве марок электростали допустимый верхний предел содержания серы составляет 0,035 % и лишь в высококачественных сталях он не должен превышать 0,020 %. Более низкое содержание серы в стали обычно оговаривается техническими условиями на поставку конкретной марки стали.

Сера попадает в металлический расплав с шихтовыми материалами. Передельный чугун содержит от 0,025 до 0,070 % серы, в чугунном ломе ее примерно столько же, в ломе углеродистых сталей – 0,030…0,050% серы. Кокс, применяемый для науглероживания расплава, содержит до 2 % серы. Некоторое количество серы может перейти в металл из мазута, если мазут используется в топливокислородных горелках. Обычно содержание серы в металле после расплавления выше допустимого для готовой стали, поэтому в процессе плавки и внепечной обработки требуется удалить из металла избыточное количество серы (осуществить десульфурацию металла).

Суть процесса десульфурации металла заключается в переводе серы из металла в десульфурирующую фазу (чаще всего это шлак). На скорость и степень («глубину») десульфурации металла влияют: активность серы в металле и шлаке, наличие поверхностно-активных примесей на поверхности раздела металл-десульфурирующая фаза, величина поверхности контакта металл-шлак, состав и свойства шлака (прежде всего основность, окисленность и вязкость), а также, особо подчеркиваем, количество шлака или другой десульфурирующей фазы.

Активность серы в жидкой стали повышают углерод, кремний, алюминий. Поэтому в полном металлургическом цикле (интегрированные заводы) выгоднее удалять серу из чугуна (в доменной печи или в чугуновозных ковшах, миксерах и т.д.), а при выплавке сталей с повышенным содержанием углерода, кремния и алюминия удается получать металл с более низким содержанием серы. Активность серы в шлаке определяется прежде всего основностью шлака.

Сера является поверхностно-активным элементом, ее концентрация на поверхности раздела фаз существенно выше, чем в объеме металла. Поэтому при проведении десульфурации металла необходимо добиваться увеличения поверхности контакта металла с десульфурирующей фазой (перемешивание металла со шлаком, вдувание в расплав порошков шлакообразующих компонентов и т,п.). Если в металлическом расплаве имеется несколько поверхностно-активных элементов, то поступление серы на поверхность раздела фаз затруднено. Кислород, присутствующий в металле, также является поверхностноактивным элементом, поэтому в окислительных условиях поверхность контакта металл-шлак занята кислородом и десульфурация металла усложняется. При небольших концентрациях кислорода в металле (меньше 0,01 %) адсорбция серы больше, чем адсорбация кислорода, степень удаления серы из металла резко увеличивается.

Самый простой и дешевый способ десульфурации стали – десульфурация основным шлаком. Переход серы из металла в шлак может быть описан следующими схемами:

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) – при записи в молекулярной форме;

[S] + О 2- = S 2- + [О] – при записи в ионной форме.

Вторая схема объясняет взаимосвязь процессов раскисления металла и удаления из него серы. Исходя из этих схем для условий металлургической практики можно утверждать, что, чем выше активность СаО в шлаке и ниже активность FeO и серы в нем, тем выше десульфурирующая способность такого шлака; лучшему переходу серы из металла в шлак способствует меньшее содержание кислорода в металле (меньшая окисленность металла). Степень использования десульфурирующей способности шлака обычно характеризуют величиной полученного в процессе десульфурации коэффициента распределения серы между шлаком и металлом ϒs = (S) / [S], равной отношению концентраций серы в шлаке и металле. Сравнивая его с так называемым «равновесным» коэффициентом распределения, определенным для подобных шлаков в лабораторных условиях для случая равновесия между шлаком и металлом, можно судить о глубине десульфурации.

Многочисленные исследования, проведенные в промышленных и лабораторных условиях, подтвердили влияние основности и окисленности шлака на величину полученного коэффициента распределения серы (рис. 3.2).

Условия окислительного периода плавки (высокая окисленность шлака и металла) не способствуют проведению глубокой десульфурации металла, поэтому в большинстве случаев электрометаллурги стараются удалить основную часть серы при наличии раскисленного металла и шлака: при использовании классической технологии и ее более поздних модификаций в восстановительный период плавки и во время выпуска металла вместе со шлаком; при использовании современной технологии путем внепечной обработки на установках типа ковш-печь, путем продувки твердыми десульфурирующими реагентами и т.д. Учитывая довольное высокое содержание серы в шихте, по нашему мнению, не следует отвергать возможность частичной десульфурации металла в окислительных условиях в конце плавления и в окислительный период плавки (кратность шлака 0,05…0,07), особенно в современных печах, использующих вспененные постоянно обновляющиеся шлаки, обеспечивающие довольно большую величину удельной поверхности контакта шлак-металл. Наши данные (рис. 3.3) свидетельствуют о возможности получения заметных значений коэффициента распределения серы в окислительный период плавки в 100-тонной печи, особенно при повышении основности шлака, и соответственно о возможности удаления в это время до 20 % серы, содержащейся в шихте.

Кроме того, видно (рис. 3.4), что десульфурирующая способность шлаков окислительного периода полностью не использовалась и фактическая концентрация серы в металле в конце окислительного периода превышала равновесную со шлаком (рассчитанную по формуле Морозова). Причины этого – небольшая длительность окислительного периода и повышенная окисленность металла.

Содержание серы в металле

Включения серы в сталях можно увидеть.

Сера, как и фосфор, является вредной примесью, попадая в сталь в процессе выплавки (из руды и при сгорании органического топлива). Обычно содержание серы в высококачественной стали ограничено и не превышает 0,02—0,03%. В углеродистой стали обычного качества - не более 0,03—0,04%. При обработке жидкого металла синтетическими шлаками содержание серы можно снизить до 0,005%.
Наличие сульфидов недопустимо для ответственных деталей.
Сера нерастворима в железе, и любое ее количество образует с железом соединение под названием сульфид железа (FeS), который входит в состав эвтектики состава Fe + FeS, образующейся при 988 ºС (рис.1).

Рисунок 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-сера.

Обычно сернистая эвтектика, присутствующая в небольшом количестве, коалесцирует, т.е. феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение FeS располагается по границам зерен в виде цепочки отдельных включений (рис.2,а) или более крупными включениями в виде оторочки по границам зерен (рис.2,б; 3). Такая форма включений серы является особенно вредной, так как при горячей обработке давлением получаются надрывы и трещины. Ну а если вспомнить, что эвтектика имеет наименьшую температуру плавления среди фаз данного сплава, то ясно, что в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры 988 ºС, происходит оплавление (т.е. образование расплава в соответствии с диаграммой состояния Fe-S). Поэтому при 800 ºС и выше, т.е. при температуре красного каления, сталь становится хрупкой. О калении на этом сайте сказано в статье «Каленый и закаленный – в чем разница?». Хрупкость стали при температуре красного каления носит название «красноломкость». Поэтому сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.


а	б

Рисунок 2. Сульфиды железа в стали 45.

Рисунок 3. Сульфидные включения различной формы в стали 45.

Отдельные обособленные крупные включения сернистого железа (рис.4) уже менее вредны.


а	б

Рисунок 4. Обособленные включения сульфида железа: нетравленный образец, б – после травления.

Протяженные включения сульфидов железа можно видеть в исходно деформированной стали как в состоянии поставки (нормализация), так и после закалки и отпуска (рис. 5).


а	б

Рис. 5. Протяженные включения сульфидов железа в нормализованной (а) и в закаленной и отпущенной (б) стали 45

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца:

FeS + Mn  MnS + Fe.

Сульфид марганца плавится при 1620 ºС, т.е. при температурах более высоких, чем температура горячей обработки. Сульфид марганца нерастворим также в жидком металле, поэтому невозможно образование легкоплавкой эвтектики с фазой сульфид марганца. Поэтому присутствие сульфида марганца в стали допустимо.
Включения сульфида марганца в сталях, как правило, наблюдаются хорошо. В отсутствие травления (рис.6,а) они имеют вид темных включений. В светлопольном освещении после травления включения светлые (рис.6,б). На том же участке структуры в темном поле (рис.6,в) включения выглядят темными. Здесь употреблен термин «прицельная металлография». Это означает, что один и тот же участок структуры фотографируют, например, до и после травления, чтобы показать особенности структуры. Или до и после какой-нибудь обработки, чтобы заметить изменения в структуре.


а	б

в

Рисунок 6. Структура стали 1.2312 HASCO (обозначение по DIN 40CrMnMoS86): а – нетравленый шлиф; б – после травления, светлое поле; в – после травления, темное поле; прицельная металлография.

При температурах горячей обработки (800—1200 ºС) сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации в виде продолговатых включений (рис.6, а) или цепочек по границам зерна (рис.6, б). Встречаются отдельные крупные включения (рис. 7,а) или в виде сплошной окантовки вокруг зерна (рис. 7,б).


а	б

Рисунок 6. Крупные (а) и строчечные (б) включения сульфида марганца в структуре стали 1.2312 HASCO.


а	б

Рисунок 7. Включения сульфида марганца в стали 1.2312 HASCO; без травления.

Сульфиды железа можно наблюдать и в чугуне. Здесь показаны круглые (принято говорить «глобулярные») включения сульфидов в сером феррито-перлитном чугуне на фоне фосфидной эвтектики (рис.8), а также в зернах перлита и феррита (рис.9).

Рисунок 8. Сульфиды в сером чугуне на фоне фосфидной эвтектики.

Анализ углерода, серы и фосфора

Шихтовые материалы для получения стали в дуговых печах

Для получения стали в электропечах необходимы следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окислители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживатели.

Металлическая часть

Основу шихты для электропечей составляет металлический лом: на одну тонну выплавляемой в электропечах стали в среднем расходуется около 950 кг лома. Примерно треть этого количества составляют брак, литейные отходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков, т. е. собственные отходы металлургических заводов. Остальная часть складывается из отходов, возвращаемых заводами-потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного отделениями Вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихтовая заготовка — мягкое железо, а также передельный чугун и металлизованные окатыши.

Металлический лом делится на две категории: группа нелегированных (А) и легированных (Б) отходов.

Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно никелем, медью и мышьяком, которые практически полностью переходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на его свойства. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких количеств фосфора потребует продолжительного окислительного периода.

Поэтому металлический лом должен быть освобожден от лома цветных металлов и рассортирован по происхождению. Знание происхождения лома позволяет примерно оценить его состав и более правильно использовать его.

На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно удаляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы при выплавке стали определенного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов. Отходы некоторых наиболее сложно легированных марок следует хранить помарочно.

Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мелкий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи атомарного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.

Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.

Особые заботы доставляет переплав стружки. Длинная витая стружка затрудняет загрузку; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали других марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим причинам стружку следует переплавлять на заводах Вторчермета и электросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее паспортные болванки с известным химическим составом. Стружка, поставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты на подготовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при использовании доброкачественной шихты.

Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно расплавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости футеровки. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки.

Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.

Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем легированные отходы, так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мягкого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.

Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его использование отрицательно сказывается на себестоимости стали. Использование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьезными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.

Следует отметить, что для электропечной плавки характерен постоянно наблюдаемый недостаток качественного лома. В связи с этим в течение длительного времени изыскивают материалы, которые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпринимались попытки заменить часть лома передельным чугуном. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.

Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Электропечи, плохо приспособлены для проведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна нецелесообразно.

Обнадеживающие результаты получены при использовании в шихте электропечей полупродукта — предварительно продутого в реакторе чугуна. Однако появление и совершенствование кислородно-конвертерного процесса сделали более целесообразным переработку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере. В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследования плавки стали в электропечах с использованием высокометаллизированных окатышей (90—95% Fе_общ, 85—90% Fе_мет). Построены промышленные комплексы для работы с непрерывной загрузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой металла. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим примесям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали.

Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменный процесс) при успешном решении проблемы эффективного восстановления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.

Шлакообразующие

При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок. В кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.

Наиболее важной составляющей шлаковых смесей является известь, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100— 1300°С. При обжиге углекислый кальций из вестняка разлагается на окись кальция и углекислый газ СаС0₃ → CaO + СО_2.

Химический состав обожженной извести приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав шлакообразующих и окислителей

Содержание серы в известняке в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное содержание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации металла.

Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим и активным; окислов железа, чтобы не затруднять процесс десульфурации.

Для выплавки высококачественной стали используют только свежеобожженную известь. При хранении известь интенсивно поглощает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция [СаО + Н₂О → Са (ОН)₂], которая рассыпается в порошок. Влага, внесенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой извести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно не допустимо.

Вместо извести в окислительный период можно пользоваться не обожженным известняком. Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСО₃ (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков СО₂, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дегазации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.

Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция.

Для разжижения высокоосновных шлаков применяют плавиковый шпат, песок и шамотный бой. Особенно сильно понижает его вязкость CaF_2. К тому же использование CaF₂ позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.

Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавиковый шпат, который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90—95% CaF₂, не более 3,0% SiO₂ и не более 0,2 % S.

Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кислых печах он является главным шлакообразующим материалом.

Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание SiO₂.

При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% SiO₂ и 35% Аl₂O₃.

Окислители

Для интенсификации окислительных процессов в металл необходимо вводить кислород. Источниками кислорода служат железная руда, окалина и агломерат. Широкое распространение получила продувка металла газообразным кислородом.

Железную руду применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает длительное равномерное кипение металла без повышения его температуры, так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.

Руду используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера, желательно 50— 100 мм в диаметре.

Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака. Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного размера кусков, руда должна удовлетворять и требованиям по химическому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора (таблица 1). Наиболее богатой является криворожская руда, но в ней содержится довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда характеризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.

Иногда вместо руды используют заменители — агломерат и окалину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем, но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что прокатная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.

Для интенсификации окисления углерода во время окислительного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повышения температуры металла, окисления избыточного углерода и сопутствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1—2 МПа (10— 12 ат).

Основное требование, предъявляемое к газообразному кислороду, низкое содержание влаги (не более 1 г/м 3 ). Поэтому перед продувкой кислород должен быть осушен в специальных поглотителях влаги.

Раскислители и легирующие

Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы применяют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с другом.

Наибольшее распространение для раскисления и легирования стали получили металлические алюминий, никель, хром, марганец, молибден, кобальт и титан, ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий, ферромолибден, ферротитан, феррониобий, ферробор и другие, а также комплексные сплавы— силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий, силикоалюминий, сплавы алюминия, марганца и кремния, кремния, кальция и алюминия и другие.

Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:

Содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным. При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что удлиняет время ее проплавления и ведет к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплавких металлов — ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве.
Сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов. Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки, когда рафинирование ванны уже закончено.
Куски сплавов должны быть определенного габарита. Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения, затрудняет точность взвешивания и может быть причиной повышенного расхода сплава.

Науглероживатели

К числу науглероживателей принадлежат материалы, содержащие углерод и используемые для увеличения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. Для науглероживания в электросталеплавильных цехах используют главным образом кокс и электродный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) — древесный уголь и сажу.

Основное требование, предъявляемое к науглероживателям, заключается в том, что они должны быть чистыми по вредным примесям (главным образом иметь низкое содержание серы) и вносить мало золы.

Читайте также: