Производство стали

Наблюдения многих лет показывают, что учащиеся десятых классов имеют неполные представления о химических реакциях, происходящих при переработке чугуна на сталь или ковке железа.

Они дают схематическое описание этих процессов с внешней стороны: как устроены конверторы или печи, что и как загружают в них, что и как выпускают из этих аппаратов. А между тем огромное хозяйственное значение стали, а также научное значение процесса переделки чугуна на сталь настоятельно требуют более глубокого понимания этого процесса. Учителю необходимо ознакомиться с научной литературой по черной металлургии, чтобы самому понять химические основы процесса, а затем отобрать из этого химико-технологического материала самое главное и существенное и изложить в доступной для учащихся форме. При этом не надо увлекаться технологией, подробными описаниями технических деталей. Чтобы избежать этой опасности, нужно вначале рассмотреть состав чугуна и химические реакции, которые происходят при взаимодействии кислорода с элементами, находящимися в расплавленном чугуне. Следует также обратить внимание на относительные количества различных компонентов, входящих в состав чугуна, и на тепловой эффект реакции окисления каждого из них. Эти сведения необходимы для того, чтобы понять, какие реакции и при каких условиях должны происходить при том или ином способе получения стали.

Рассмотрим сначала процесс Бессемера и отметим, что чугун, подвергающийся бессемерованию, в среднем содержит: железа - 92-95%, углерода - 3,5-4,6%, кремния - 1-2,5%, марганца - 0,5-2,5%. Химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна, можно выразить следующими уравнениями;

Все реакции, уравнения которых записаны, являются экзотермическими. Следовательно, расплавленный чугун представляет собой горючий материал. Наибольшее количество теплоты, приходящейся на 1 кг кислорода, соединяющегося с каждым из этих элементов, выделяется при окислении кремния. При выгорании 1% кремния, содержащегося в перерабатываемом чугуне, температура в бессемеровской реторте поднимается на 200%. Обращая внимание учащихся на то, что основная масса чугуна приходится на долю железа, учитель должен отметить, что при продувке воздуха через расплавленный чугун прежде всего окисляется железо до закиси железа. Этот окисел хорошо растворяется в железе и окисляет другие элементы. Затем следует обратить внимание на химические свойства получающихся окислов, на взаимодействие основных окислов с кислотным (SiО₂). При этом нужно сообщить, что реакции соединения закиси железа и окиси марганца с двуокисью кремния тоже экзотермичны.

После этого можно перейти к ознакомлению учащихся с тем, как рассмотренные реакции осуществляются в заводских условиях. При этом важно отметить следующее: 1) устройство конвертора, позволяющее быстро загружать и разгружать его (соответствие аппарата процессу); 2) кислотные свойства футеровки (кремнезем); 3) скорость процесса (10-20 мин) и большую производительность одного конвертора; 4) большие потери железа вследствие окисления и перехода его в шлак и выброса в виде бурого дыма и искр (10-15%); 5) трудность получения стали точного состава и высокого качества. Это объясняется тем, что в конверторе во все время продувания образуется закись железа, которая восстанавливается, окисляя другие примеси. Когда же эти примеси выгорят, закись железа может остаться растворенной в стали. Такая сталь называется "дурной сталью", непригодной для изделий. Чтобы получить доброкачественную бессемеровскую сталь, необходимо своевременно прекратить продувание и добавлять точно определенные количества раскислителей. Затем следует разъяснить, почему нельзя удалить фосфор из чугуна при бессемеровании в конверторе с кислотной футеровкой (SiО₂). Для этого сначала нужно разобрать процесс ошлакования фосфорного ангидрида, так как это единственный путь удаления фосфора из чугуна.

Реакция соединения фосфорного ангидрида с окисью кальция идет с выделением большого количества теплоты, что свидетельствует о том, что получающаяся соль - довольно прочное соединение. Из этого следует, что при получении стали из чугуна, содержащего фосфор, нужно добавлять в реторту окись кальция. Но этого нельзя делать, если футеровка конвертора кислая, так как окись кальция будет реагировать с футеровкой (в состав которой входит SiО₂) и переведет ее в шлак CaSiО₃ (футеровка конвертора будет быстро разрушаться). Поэтому долгое время переработка на сталь конверторным способом не применялась для чугунов, содержащих фосфор, но впоследствии был найден способ выплавки стали и из фосфористых чугунов.

Для ознакомления с тем, как была решена эта технохимическая проблема, можно кратко сообщить, в чей состояло открытие Томаса, и рассмотреть химические реакции, происходящие при переделке фосфористого чугуна на сталь.

Затем следует сообщить, что в СССР по этому способу перерабатывается большое количество чугуна, содержащего фосфор.

Вместе с тем нужно указать, что наиболее существенные недостатки, свойственные конверторному способу переделки чугуна, остаются и в процессе Томаса ("угар" металла, невысокое качество стали, невозможность или трудность переработки железного лома на сталь). Таким образом, учащиеся будут подготовлены к ознакомлению с наиболее распространенным способом Сименс-Мартена.

Вместе с тем следует отметить, что введение в процесс воздуха, обогащенного кислородом, и другие усовершенствования повышают производительность конверторной выплавки стали.

Для этого демонстрируют опыт, показывающий принципы выплавки стали из чугуна в конверторе при продувании кислорода сверху. Данный способ имеет в настоящее время чрезвычайно широкое распространение. Разумеется, учитель не может для демонстрации взять расплавленный чугун. Для этого берут легкоплавкий металл - олово и в качестве примеси - порошок угля. Учащиеся наблюдают выгорание примесей, за счет чего повышается температура. Сам опыт осуществляют так. В пробирку кладут олово и насыпают немного порошка древесного угля. Пробирку закрепляют в вертикальном положении и расплавляют олово, что легко сделать на обычном спиртовке. Через стеклянную газоотводную трубку пропускают кислород (рис. 98). Предварительно этой трубкой хорошо перемешивают смесь расплавленного олова с углем. Во время пропускания кислорода прекращают нагревание пробирки. Вначале ярко горит уголь, температура внутри пробирки сильно повышается, с поверхности металла вылетает сноп искр. Когда весь уголь выгорит, появляется беловатое пламя - это значит, что начинает выгорать сам металл, поэтому в этот момент продувание кислорода прекращают.

Рис. 98. Выжигание примесей при получении стали

Если учащиеся поняли химизм рассмотренных выше процессов, то им легко понять и основные химические реакции, идущие при мартеновской плавке стали. Нужно лишь отметить особенности этого способа. Мартеновский процесс может идти по аналогии с бессемеровским или с томасовским в зависимости от состава перерабатываемого чугуна. Меняются лишь набойки печи и флюсы.

Окисление кремния, углерода, фосфора и других примесей в мартеновском процессе происходит двумя путями: кислородом воздуха, поступающим в печь через затворы или в смеси с горючим газом, и кислородом окислов, добавляемых к расплавленному чугуну (главным образом окислы железа).

Следует также сообщить, что к концу плавки в мартеновскую печь засыпают раскислители, главным образом сплав марганца с железом. Марганец восстанавливает железо из закиси. Тогда же добавляют и так называемые "присадки" (те или иные металлы, в зависимости от того, какого состава выплавляется сталь). Вследствие того что процесс получения стали в печах Сименс-Мартена идет 6-8 ч, необходимо обратить внимание на следующие особенности мартеновского способа:

1. В мартеновских печах можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и пришедшие в негодность части машин и стальных конструкций ("скрап"). В конверторах это делать затруднительно.

2. При мартеновском способе производства стали получается больше, чем вливается или забрасывается чугуна, так как раскислителем являются окислы железа, из которых в этом процессе восстанавливается железо, тогда как при продувании расплавленного чугуна в конверторах получается большой "угар", т. е. потеря металла в виде искр и перехода части закиси железа в шлак,

3. Мартеновский процесс проходит более спокойно и лучше поддается регулированию, поэтому создаются условия для получения стали точно такого состава, который указан в рецепте.

Следует сообщить учащимся, что этот способ варки стали является в настоящее время наиболее распространенным. Нужно и в этом случае сообщить, что вдувание в печь воздуха, обогащенного кислородом, ускоряет процесс, благодаря чему повышается производительность труда сталеваров.

В заключение следует кратко рассказать о получении стали в электропечах. Как на существенное отличие этого способа нужно указать на способ нагревания металла. Благодаря применению электричества для этой цели предоставляется возможным вести процесс в закрытой печи и тем самым предохранить металл от окислительного действия воздуха, легче избежать образования закиси железа в расплавленном металле. Кроме того, в электропечь не попадают те нежелательные примеси, которые находятся в топливе, благодаря чему получается сталь, точно соответствующая по составу рецепту.

В качестве основного недостатка этого способа, в сравнении с рассмотренным ранее, нужно отметить высокую стоимость производства, вследствие того что электричество является еще дорогим источником теплоты.