Сталь — промежуточный между чугуном и железом продукт. В ней углерода (0,05—1,5%) и других примесей содержится намного меньше, чем в чугуне. Этим обусловлен окислительный характер сталеплавильных процессов: превращение чугуна в сталь происходит в результате окисления большинства примесей металла вводимым в сталеплавильную ванну кислородом. Окислительные реакции в ванне протекают на протяжении почти всей плавки, и лишь в заключительный кратковременный ее период (раскисление и легирование стали) наблюдаются восстановительные реакции.

В современных сталеплавильных агрегатах сталь получают при высоких температурах. Жидкая часть ванны по ходу плавки нагревается от 1200—1300 (температура жидкого чугуна) до 1580—1640 °С (температура готовой жидкой стали). Загруженные в ванну твердые материалы (стальной лом, шлакообразующие материалы, твердые окислители) в начале плавки имеют температуру около 20 °С, но уже в ее середине температуры твердой и жидкой частей шихты становятся примерно одинаковыми, после расплавления (растворения) твердых материалов температура всей ванны выравнивается.

Доведение в конце плавки температуры готовой стали примерно до 1600 °С (выше температуры ликвидуса по диаграмме состояния железо — углерод на 100—130° С) — необходимое условие современных высокопроизводительных сталеплавильных процессов. При этом обеспечиваются достаточно быстрый выпуск металла из печи и нормальная разливка стали. Когда сталь получали в полутвердом (тестообразном) состоянии, операция выдачи металла из печи была громоздкой, трудоемкой, технологически неудобной и экономически невыгодной.

Перегрев металла выше температуры ликвидуса можно определить по формуле

?t_л = t_м — t_л,

(1.1)

где t_м — температура металла; t_л — температура ликвидуса расплава. Из всех содержащихся в металле примесей наиболее сильно на величину ?t_л, влияет углерод:

Содержание углерода, %	4,0	2,0	1,5	1,0	0,5	0,2	0,1	0
?tл  расплава Fe–C, °C	1180	1388	1428	1464	1495	1522	1530	1539

Очевидно, что при окислении углерода и росте t_л поддержание постоянного оптимального перегрева металла возможно в результате непрерывного повышения t_м.

Многочисленные исследования показали, что в обычных температурных условиях сталеплавильных ванн предельно возможные скорости химических реакций весьма высоки. Фактические же скорости сложных процессов в ванне на несколько порядков меньше, так как они лимитируются диффузионными стадиями. Предельно возможная скорость последних относительно мала и значительно увеличивается с ростом перегрева металла в результате уменьшения вязкости расплава и повышения коэффициентов массопереноса. Однако при ?t_л > 50° С скорость массообменных (диффузионных) стадий и гетерогенных процессов в целом мало зависит от t_м и ?t_л, она определяется в основном интенсивностью перемешивания ванны и величиной поверхности контакта фаз. Поэтому оптимальное значение ?t_л по ходу плавки несколько меньше, чем в момент выпуска стали из печи. Необходимость постепенного увеличения ?t_л по ходу плавки (в пределах от 50 до 130° С) диктуется условиями разливки стали, а не ускорения массообменных процессов.

При неоправданно большом перегреве металла в конце плавки наблюдаются снижение производительности сталеплавильных агрегатов, перерасход топлива (мартеновский процесс), электроэнергии {электросталеплавильный процесс), чугуна и кислорода (кислородно-конверторный процесс), что отрицательно сказывается на экономичности процессов. Повышенный перегрев ухудшает качество стали в связи с увеличением газонасыщенности металла, количества трещин и степени ликвации примесей в слитках. Низкий перегрев приводит к снижению качества поверхности слитков и их макроструктуры, а также к увеличению потерь стали при разливке, что объясняется значительной вязкостью холодного металла, запутыванием в нем шлаковых частиц и плохой организацией струи.

Наиболее выгодным температурным режимом сталеплавильного процесса является такой, который обеспечивает максимальную интенсивность последнего и достижение оптимальной, с точки зрения качества стали, степени перегрева в конце плавки. Согласование скоростей удаления примесей металла и его нагрева — главная задача любого сталеплавильного процесса, сущность управления технологией плавок.

Сталеплавильные процессы протекают в гетерогенных системах, включающих две жидкие (металл и шлак), несколько газообразных (выделяющиеся из ванны СО и СO₂, печные газы, вдуваемый в ванну кислород) и твердых (футеровка, твердые шлакообразующие материалы и лом, твердые неметаллические включения) фаз. Поэтому при исследовании реакций в сталеплавильных ваннах необходимо использовать физико-химические законы многофазных систем.

В физической химии различают идеальные и реальные системы. К и д е а л ь н ы м относят разреженные газы и бесконечно разбавленные растворы. При изучении физико-химических закономерностей таких систем можно пренебречь объемом частиц и силой их взаимодействия до столкновения. Р е а л ь н ы м и с и с т е м а м и являются концентрированные растворы или расплавы и сжатые газы (при давлении более 5 Мпа). В этих системах необходимо учитывать собственный объем частиц и их взаимодействие (притяжение или отталкивание) до столкновения.

В сталеплавильных процессах газы можно считать идеальными, так как давление в ваннах не превышает 0,2 Мпа. Некоторые разбавленные расплавы приближаются к идеальным. Большинство же процессов в сталеплавильных ваннах протекают с участием расплавов, которые следует рассматривать как реальные.

Итак, сталеплавильным процессам присущи следующие отличительные особенности: окислительный характер реакций; высокие температуры (конечная температура металла около 1600° С); гетерогенность систем. К таким процессам применимы законы реальных физико-химических систем.

Для управления технологией выплавки стали необходимо знать термодинамические законы, характеризующие условия равновесия реакций и возможное направление последних, а также кинетические закономерности процессов (скорость протекания в отдельных звеньях, лимитирующие ее факторы).

В большинство термодинамических или кинетических уравнений, применяемых в теории сталеплавильных процессов, входят величины концентраций реагирующих или диффундирующих веществ (соответствующие их массы на единицу массы или объема раствора).

В зависимости от схемы расчета используют следующие характеристики концентраций:

1. Массовый процент (масса вещества, кг/100 кг раствора).

2. Число молей вещества на 100 г раствора (отношение массового процента к молекулярной или атомной массе вещества).

3. Мольную или атомную долю вещества (отношение числа молей или грамм-атомов вещества к общему числу молей или грамм-атомов всех компонентов на 100 г раствора).

4. Ионную долю, определяемую в совершенных ионных растворах как отношение числа ионов данного типа к общему числу ионов того же знака в растворе.

5. Объемную концентрацию, используемую в уравнениях диффузии (масса вещества на единицу объема раствора, кг/м³ или кмоль/м³).

6. Парциальное давление в газовой фазе (давление пара вещества в случае, если бы он занимал весь объем газовой фазы):

Р_i = N_iP_общ,

(1.2)

где N_i — мольная доля вещества; Р_общ — общее давление в газовой фазе.

В уравнениях термодинамики и кинетики сталеплавильных процессов пребывание вещества в той или иной фазе, а также его концентрацию обозначают скобками, в которые заключают символ этого вещества. Квадратные, круглые и фигурные скобки соответствуют металлической, шлаковой и газовой фазам: [С], (FeO), (СО).