Общие основы сталеплавильного производства

Девятый этап. Развитие методов непрерывной разливки.

  Создание  работоспособных агрегатов непрерывной  разливки стали позволило: а) существенно  снизить расход жидкой стали для  получения 1т проката; б) улучшить условия  для повышения качества стали; в) обеспечить реальное начало нового этапа в металлургии: получение готового стального продукта или полупродукта непосредственно из жидкого металла ("прямая прокатка"); г) повысить производительность труда металлургов. В настоящее время в промышленно развитых странах практически вся выплавляемая сталь разливается на установках непрерывной разливки.

  Приведенная выше схема исторического развития сталеплавильного производства условна. Появление тех или иных новых способов производства стали и методов, обеспечивающих повышение ее качества, происходит во времени и многие способы (и старые, и новые) существуют одновременно.

 
 

Классификация стали

Полученные  тем или иным способом стали чрезвычайно  разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка.

  Единой  мировой системы классификации  стали нет. Многие компании и фирмы  пользуются своими системами классификации стали.

  По  способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. Иногда требуется еще большее уточнение, например "кислая мартеновская сталь" и т.п. Очень часто от способа производства зависят некоторые особенности качества металла. Например, несмотря на одинаковый химический состав и одинаковую последующую термообработку, свойства основной и кислой мартеновской стали различны, и это учитывают и потребители этой стали, и сталеплавильщики.

  По  назначению можно выделить следующие основные группы сталей:

1. Конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций.
2. Топочная и котельная сталь — низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок.
3. Сталь для железнодорожного транспорта — рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес.
4. Подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников.
5. Инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования.

По качеству стали обычно делят на следующие  группы: сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную. Различия между этими группами заключаются в допускаемом содержании вредных примесей (в первую очередь серы и фосфора), а также в особых требованиях по содержанию неметаллических включений.

  По  химическому составу различают  стали: углеродистые (в том числе  низко-, средне-, высокоуглеродистые), низколегированные, легированные (в том числе хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.п.).

  Установлены единые условные обозначения химического  состава стали:

Элемент ...      С     Mn    Si       Cr      Ni      Mo    W    V    Al      Ti

Обозначение УГСХНМВФЮТ

В обозначении  марок стали по стандарту цифры  с левой стороны букв обозначают среднее содержание углерода в сотых  долях процента (для инструментальных сталей — в десятых долях процента). Буквы справа от цифр, выражающих среднее процентное содержание углерода, обозначают, наличие соответствующего элемента в стали. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание соответствующих элементов.

По характеру  застывания стали в изложницах различают  спокойные, кипящие и полуспокойные  стали.

  Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количествах и другие параметры. Все это учитывают потребители металла.

 
 
 
 
 
 

 

Основные  реакции и процессы сталеплавильного производства

 

1. Термодинамика сталеплавильных процессов.

В ходе сталеплавильных процессов выделяется (или поглощается) теплота, достигается (или нарушается) равновесие протекающих реакций, лучистая энергия факела или электрической дуги превращается в тепловую и происходят другие энергетические процессы. Науку, изучающую законы теплового   равновесия   и   превращения   теплоты   в   другие   виды анергии, называют термодинамикой. Химическая термодинамика изучает равновесие химических реакций, их тепловые эффекты. Обычно сталеплавильный агрегат представляет собой довольно сложную систему. Для характеристики системы используют величины, называемые параметрами состояния и параметрами процесса.

Параметры состояния - величины, служащие для характеристики состояния системы.

Параметры процесса — величины, характеризующие процесс, т.е. изменение системы, связанное с изменением параметров состояния. К их числу относятся энтальпия, энтропия, энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.

Энергию Гельмгольца называют "свободной энергией при постоянном объеме"; также используют название "изохорно-изотермический потенциал" (сокращенно "изохорный потенциал").

  Сталеплавильные процессы обычно протекают при давлениях, близких к постоянным (т.е. являются изобарическими); для оценки этих процессов используют параметр G, предложенный американским ученым Гиббсом, определяемый через энтальпию Н:

G = H-TS.

  Энергия Гиббса связана с энергией Гельмгольца  соотношением

G = A + pV,

где р— давление, V— объем.

  18-тый   конгресс Международного  союза  чистой  и  прикладной  химии  в  1961 г. рекомендовал   использовать   символ   G   и   название   "энергия Гиббса".   В   настоящее   время   не   существует   методов   определения   абсолютного   значения   величин   U,   A,   H,   S,   G.   Для проведения   термодинамических   расчетов   условились   принимать    энтальпию    простых    веществ    (элементов)    при    25 °С (298 К)    равной     нулю    (Я₂₉₈ = 0);     энтропии    всех    веществ принимают   равными   нулю   при   абсолютном   нуле   (S₀ = 0   при Т = 0).   Соответственно   для   термодинамических   расчетов   используют   величины   изменения   Я,   S,   G,   а   именно:   ДЯ,   AS, AG. Напомним, что при постоянном давлении Q_p = —ДЯ.

  Общее    уравнение    для    определения    изменения    энергии Гиббса AG при температуре Т

AG_T = ДЯ_Т - TAS_r.

  Для проведения практических расчетов и  сравнимости получаемых результатов оказалось удобным определять изменения для каждого рассматриваемого процесса (реакции) при стандартных условиях. В качестве стандартных обычно принимают условия, при которых парциальные давления для каждого компонента равны 100 кПа, активности каждого компонента равны 1, а конденсированные вещества (жидкости и твердые тела) в чистом виде находятся под давлением 100 кПа. Для того чтобы показать, что параметры заданы при стандартных условиях, используют индекс ° (ДС7°, ДЈ°, ДЯ°). Между стандартным изменением AG° и константой равновесия существует непосредственная связь:

AG° = -RT In K_p.

  Это соотношение применимо для любой  температуры. В качестве "стандартной" принимают обычно температуру 25 °С, т.е. 298,15 К (обозначают индексом 298). При стандартных условиях и стандартной температуре параметры процесса обозначают следующим образом: AG%_m, ДЯ°₉₈, AS%_9i.

100 кПа = 1 атм.

 

  В большинстве случаев температура  металлургических процессов существенно  отличается от стандартной, поэтому  величины ДЯ могут существенно отличаться от величины АЯ°₉₈. Изменение величины ДЯ в зависимости от температуры связано с изменением теплоемкости:

Г

dH/dT = ДС_Р; ДЯ_Т = ДЯ°_ЭД + $ AC_pdT.

2 98

  Если  в пределах исследуемых температур происходит изменение состояния какого-либо компонента (аллотропическое превращение, плавление, испарение — это также обычно указывается в таблицах), то тепловой эффект этого изменения (часто используют понятие теплоты превращения L_np или Ј?пр) должен быть учтен в расчетах:

^ПР у

ДЯ_Т = ДЯ°₉₈ + 5 AC_vdT±L_m+ $ AC_pdT.

298 '"пр

  Значения  величины изменения энтропии AS° при изменении температуры также изменяются. Уравнение для расчета значений  изменения энтропии при  изменении температуры  имеет

вид

    Т   ДС_Р Л5° = S —zr dT.

    о На   практике   зачастую   температурные   условия   по   ходу процесса   существенно   меняются.   Это   необходимо   учитывать, чтобы  дать  тому или иному процессу точную количественную

оценку.

Чаще всего  используют формулу

  AG = AH- TAS, где ДЯ и AS близки к средним значениям ДЯ и AS для данного    интервала    температур.    В    таблицах    значения    приводят обычно в виде AG = А + ВТ.

При изменении  температуры изменяются и ДЯ и  AS, но AS изменяется в большей мере, в результате оказывается, что AG < 0; при равновесии AG = 0, поэтому величина AG, если реакция написана в направлении ее протекания, всегда получается  с  минусом. Если в  результате  расчета  величина  AG получается с плюсом, то реакция (процесс) идет в обратном направлении. Процесс или реакция могут идти самопроизвольно лишь в том случае, когда энергия Гиббса системы уменьшается.

  Изменение энергии Гиббса используют для определения меры химического сродства веществ. Константа равновесия К_р характеризует степень протекания реакции в ту или иную сторону. Поскольку ДО° = Д#°-ТД5⁰ и AG° * -RTln К_р, то -RTla К_р = ДЯ° - ГД5Я, откуда R In К_р = Д5°-ДЯ°/Г. Отсюда видно, что чем больше величина AS° и чем Меньше ЬН°/Т, тем полнее идет реакция. Из уравнения видно также, что чем выше температура, тем большее значение имеет величина Д5° (энтропийный фактор) и меньшее LH°/T (энтальпийный фактор). При производстве стали протекают процессы окисления железа и его примесей (углерода, кремния, марганца) и образования соответствующих оксидов (СО, SiOj, MnO). Способность железа и его примесей окисляться, т.е. химическое сродство к кислороду, часто выражают при помощи давления   диссоциации    оксидов.   

Ме  ₊ 0₂ = Ме0₂;К_р = а_Ше0у(а_ш._Ро).

  Таким образом, давление диссоциации является мерой прочности оксида: чем меньше эта величина, тем прочней оксид.

  Обычно  в качестве стандартного состояния  выбирают либо чистое вещество, либо однопроцентный раствор этого вещества.

  Для термодинамических расчетов активность представляет собой вспомогательную  расчетную величину, которая «характеризует степень связанности молекул, атомов или ионов исследуемого компонента. При образовании данным компонентом в растворе каких-либо соединений его активность понижается, и, Наоборот, активность возрастает при уменьшении сил взаимодействия между частицами растворителя и растворенного вещества.

  Большинство компонентов, встречающихся в металлургической практике, образует в железе растворы, далекие от идеальных. Соотношения между составом и свойствами большинства реальных растворов очень сложны и не всегда ясны. Положение облегчается тем, что обычно мы имеем дело с растворами в железе небольших количеств (часто < 1 %) других компонентов. При уменьшении концентрации растворенного вещества свойства реального раствора приближаются к свойствам идеального. Такие растворы принято называть бесконечно разбавленными или разбавленными. В этих случаях принято использовать закон Генри, согласно которому в разбавленном растворе давление пара растворенного вещества Pi прямо пропорционально его концентрации c_h т.е. pj-rcj, где г — коэффициент (константа Генри). Обычно реальные растворы подчиняются закону Генри при изменении концентрации в интервале от долей процента до нескольких процентов.