Освещены в соответствии с новым учебным планом теоретические основы металлургии стали. Приведены последние данные по термодинамике и кинетике важнейших процессов, протекающих в сталеплавильных ваннах. Излагаются теории строения жидких шлаков сталеплавильного производства и расплавов на основе железа. Описаны явления на поверхностях раздела фаз. С учетом теории тепло- и массообменных процессов многие уравнения дополнены инженерными расчетами.
Для студентов металлургических специальностей вузов, а также может быть полезным для аспирантов, инженеров-исследователей и работников сталеплавильного производства.
Предисловие
В утвержденных XXV съездом КПСС «Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976— 1980 годы» определены главные задачи в области черной металлургии — обеспечить в 1980 г. Производство стали в количестве 160—170 млн. т и готового проката — 115— 120 млн. т, значительно расширить сортамент металлопродукции и сэкономить за счет этого 5—6 млн. т металла, улучшить качество выпускаемой продукции и повысить производительность труда на 23—25%.
Эти задачи решаются на основе технического перевооружения отрасли, ускорения научно-технического прогресса, модернизации действующих и ввода в эксплуатацию новых мощных металлургических агрегатов.
За годы десятой пятилетки сооружены сверхмощные доменные печи (объемом 5 тыс. м3) и крупные кислородные конверторы емкостью до 400 т. Построены и успешно освоены кислородно-конверторный цех на Ждановском металлургическом заводе «Азовсталь» и электросталеплавильный цех на Донецком металлургическом заводе им. Ленина. В конце пятилетки войдут в строй кислородно-конверторный цех на Череповецком металлургическом заводе, цех специальной электрометаллургии на заводе «Азовсталь», электродуговые печи на Узбекском металлургическом заводе, Оскольский электрометаллургический комбинат по производству стали из металлизованных окатышей, полученных методом прямого восстановления железа из руды, минуя доменный процесс.
За годы десятой пятилетки в 1,5—2,0 раза увеличится производство наиболее эффективных видов металлопродукции, сталей повышенного качества. Непрерывно развиваются прогрессивные сталеплавильные процессы — кислородно-конверторный, электросталеплавильный, специальной электрометаллургии (электрошлаковый переплав, вакуумно-переплавные, плазменные и др.). Разрабатываются новые процессы выплавки стали (донная продувка в кислородных конверторах, непрерывные способы получения стали).
Выплавка стали в 1980 г. В десять раз превысит уровень выплавки в 1940 г. Однако потребность в металле растет из года в год. Устойчивый сбалансированный рост тяжелой промышленности — фундамента экономики стран, успешное техническое перевооружение жизненно важных отраслей народного хозяйства (отраслей легкой и химической промышленности, сельского хозяйства и других) обеспечиваются непрерывным увеличением производства стали.
Совершенствование применяемых и создание новых сталеплавильных процессов обусловливают повышенные требования к уровню теоретических знаний будущих специалистов независимо от того, где они будут работать: в научно-исследовательских организациях, в проектных институтах или непосредственно на производстве.
Успешному развитию теории сталеплавильных процессов способствовали работы довоенного периода (отечественных ученых А. А. Байкова, В. Е. Грум-Гржимайло, М. М. Карнаухова, Н. Н. Доброхотова и зарубежных исследователей С. Герти, Г. Шенка, Ф. Кербера, В. Эльзена), достижения физической химии производства стали и смежных наук в послевоенный период (работы А. М. Самарина, О. А. Есина, В. И. Явойского, П. В. Гельда, С. И. Филиппова, А. Н. Морозова, В. С. Кочо, С. Л. Левина, В. И. Баптизманского и Дж. Чипмена, Дж. Эллиота, Ф. Ричардсона, Е. Таркдогана).
В настоящем учебном пособии обобщены наиболее важные результаты исследований в области металлургии стали. Вопросы термодинамики различных процессов, в том числе определение величин изобарно-изотермических потенциалов ?Z и констант равновесия К химических реакций, рассматриваются во взаимосвязи с механизмом и кинетикой гетерогенных сталеплавильных процессов. Это позволяет четко проследить влияние термодинамических факторов не только на направленность и возможные пределы развития химических процессов, но и на скорость отдельных звеньев, ограничивающих ход процессов в целом.
Если, например, процесс лимитируется диффузией веществ в пограничных слоях вблизи поверхностей раздела фаз, то диффузионные перепады концентраций определяются как разности концентраций веществ в объемах фаз и на поверхности их раздела Спов. Величины Спов часто очень близки к равновесным и обусловлены термодинамическими величинами ?Z и К. Таким образом, термодинамику всех реакций в сталеплавильных ваннах необходимо изучать наряду с механизмом и кинетикой процессов.
Автор стремился в книге осветить в пределах спецкурса «Теоретические основы металлургии стали» главные вопросы термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов с учетом результатов современных исследований.
Спорные, противоречивые положения, взгляды и данные анализируются на основе наиболее достоверных результатов новых теоретических и экспериментальных исследований. Ряд выводов основан на последних достижениях сталеплавильного производства, а также на исследованиях автора и его учеников.
В пособии приведены решения задач по кинетике процессов и массообмену, изложены направления исследований недостаточно изученных вопросов.
Книга не претендует на полный охват всех проблем теории сталеплавильных процессов, однако она поможет студентам, аспирантам, специалистам-практикам более глубоко изучить основы теории и успешно освоить другие дисциплины в области металлургии стали, а также с достаточной теоретической глубиной анализировать результаты научных исследований.
Отдельные теоретические вопросы, рассматриваемые в других специальных дисциплинах по металлургии стали (вакуумирование, применение экзотермических ферросплавов и редкоземельных элементов, кристаллизация металла и др.), здесь не излагаются либо освещены предельно кратко.
С целью облегчения усвоения материала в конце ряда параграфов приведены примеры расчетов и обобщающие выводы.
Автор выражает искреннюю благодарность профессорам В. И. Явойскому и В. И. Баптизманскому за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании настоящего пособия.
