СПОСОБИ ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ

Сталь порівняно із чавуном містить менше вуглецю, силіцію, сірки та фосфору, отже для одержання сталі з чавуну потрібно зменшити вміст цих речовин шляхом окисної плавки. Зараз застосовують кілька способів переробки чавуну на сталь. Усі вони ґрунтуються на окисненні домішок, які містяться у чавуні.

Сталь виробляють із чавуну та металобрухту.

Під час виплавляння сталі відбувається низка окисно-відновних реакцій. Спочатку окиснюються залізо і вуглець:

2Fe0 +O20 = 2Fe+2O-2 + Q

2C0 + O20= 2C+2O-2

Потім ферум(ІІ) оксид окиснює силіцій, манган, фосфор і вуглець:

Si0 + 2Fe+2O-2 = Si+4O2-2 + 2Fe0 + Q

Mn0 + Fe+2O-2 =Mn+2O-2 + Fe0 + Q

2P0 + 5Fe+2O-2 = P2+5O5-2 + 5Fe0 + Q

C0 + Fe+2O-2 = C+2O-2↑ + Fe0 + Q

Утворені оксиди Силіцію(IV) та Фосфору(V) реагують із флюсами:

P2O5 + СaCO3 = Ca3(PO4)2 + CO2↑

SiO2 + СaCO3 = CaSiO3 + CO2↑

Утворені шлаки видаляють із печі.

За допомогою розкисників (мангану, ванадію, титану) зі сталі видаляють надлишковий ферум(ІІ) оксид:

Mn0 + Fe+2O-2 =Mn+2O-2 + Fe0 + Q

Легуючі добавки (кобальт, нікель, вольфрам, хром тощо) надають сталі корозійної стійкості, міцності та інших властивостей, необхідних при її застосуванні.

Отже, процес виплавляння сталі є процесом окиснення з метою зменшення у сплаві часток вуглецю, сірки, фосфору та інших домішок.

Існує кілька способів переробки чавуну на сталь. При роботі за конвертерним методом використовують спеціальний конвертер. Це величезна сталева грушоподібна посудина, яка вміщує до 40-50 т чавуну.

Усередині конвертер викладений вогнетривкою цеглою з керамзиту. Конвертер може обертатися на горизонтальних цапфах за допомогою зубчастого колеса. До дна конвертера, у якому є багато дрібних отворів, приєднано повітряну камеру для нагнітання повітря.

Конвертерний спосіб виробництва сталі запропонував англійський інженер-винахідник Генрі Бесемер у 1856 році. Завдяки його винаходу уможливилося масове виробництво литої сталі.

Виплавляння сталі відбувається в апараті, який називають конвертером Бесемера. Оцініть розміри цієї споруди.

Конвертер наповнюють розплавленим чавуном, а в повітряну камеру нагнітають повітря. Проходячи крізь отвори в дні конвертера, повітря пронизує всю масу чавуну й окиснює домішки.

Конвертер працює періодично. Його повертають у горизонтальне положення, заливають розплавлений чавун і подають повітря. Потім апарат повертають у вертикальне положення. Спочатку окиснюються залізо, силіцій, манган, потім – вуглець. Утворений карбон(ІІ) оксид згоряє над конвертером яскравим сліпучим полум’ям до восьми метрів заввишки. Замість полум’я з’являється бурий дим – це починає горіти залізо. За цією ознакою дізнаються про завершення окиснення вуглецю. Подачу повітря припиняють, переводять конвертер у горизонтальне положення і додають розкисники. Увесь процес триває 15-20 хвилин. Готову сталь виливають із конвертера в ківш, а потім направляють на розливання.

Щоб одержати сталь із наперед заданою часткою вуглецю (наприклад, 0,4-0,7%), продувку металу припиняють, коли вуглець ще не повністю вигорів. Допустиме також повне вигоряння вуглецю, а потім додавання певної кількості чавуну або феросплавів.

За киснево-конвертерним способом замість повітря у конвертер продувають кисень. Збагачення киснем скорочує тривалість продувки, а також збільшує продуктивність конвертера. Уведення до складу дуття суміші кисню з водяною парою або вуглекислим газом істотно підвищує якість сталі.

У 1864 році французький металург П’єр Мартен запропонував новий спосіб виплавляння сталі. У мартенівських печах спалюють мазут або попередньо підігріті гази з використанням гарячого дуття.

Шихтові матеріали (металобрухт, чавун, флюси) завантажують у піч через завалочні вікна. Розігрів шихти, розплавлення металу та шлаків у печі відбувається в плавильному просторі при контакті матеріалів із факелом розпечених газів, тобто кисень або повітря пропускають над розплавленим чавуном. Готовий метал випускають із печі через отвори, розташовані в найнижчій частини подини. На час плавки випускний отвір забивають вогнетривкою глиною.

Для інтенсифікації мартенівського процесу повітря збагачують киснем, що подається в полум’я факелу. Це дозволяє одержувати вищу температуру полум'я, збільшувати його випромінювальну здатність, зменшувати кількість продуктів горіння й завдяки цьому збільшувати теплову потужність печі.

В електричних дугових печах виплавляють високоякісні вуглецеві та леговані сталі. Нагрівання й розплавлювання шихти здійснюють за рахунок тепла, випромінюваного трьома електричними дугами. Електричні дуги утворюються в плавильному просторі печі між вертикально підвішеними електродами і металевою шихтою.

Найчистіші метали і сплави одержують електронно-променевою плавкою. Потік електронів спрямовують на метал – він нагрівається і плавиться. Також для виготовлення високоякісної сталі широко застосовують вакуумну плавку.

Висновки

Сталь – ковкий сплав заліза з вуглецем. Сировиною для виплавки сталі є суміш переробного чавуну та металобрухту. Також використовують допоміжні матеріали – флюси, розкисники, легуючі добавки.

Процес виплавляння сталі є процесом окиснення домішок вуглецю, сірки, фосфору тощо.

Сталь виплавляють у конвертерах, мартенівських та електродугових печах.

Для одержання високоякісної сталі широко застосовують вакуумну та електронно-променеву плавки.

МЕТА УРОКУ

Дати поняття про способи виробництва сталі.

НАЙВАЖЛИВІШІ ПОНЯТТЯ, ЯКІ ВВОДЯТЬ УПЕРШЕ

Легуючі добавки, легування, киснево-конвертерний, мартенівський, електротермічний способи виробництва сталі, конвертер, електропіч, електронно-променева плавка, вакуумна плавка.

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ДО ПРОВЕДЕННЯ УРОКУ

При ознайомленні зі способами виробництва сталі важливо показати різноманітність цих способів та різну їхню затребуваність на сучасному етапі розвитку металургії. Роботу доцільно організувати у малих навчальних групах. Кожна з них розглядає один зі способів виробництва сталі й доповідає про нього решті учням. Важливо, щоб в результаті обговорення результатів навчальної діяльності учні дійшли висновку про сутність виплавляння сталі як процесу окиснення та неабияке значення виробництва сталі для розвитку суспільного господарства.