Сталь сравнению с чугуном содержит меньше углерода, кремния, серы и фосфора, следовательно, для получения стали из чугуна необходимо снизить содержание этих веществ. Производство стали основано на окислении примесей, содержащихся в чугуне.
Сталь производят из чугуна и металлолома. Сначала кислород, который поступает с воздухом, окисляет железо и углерод:
2Fe + O2 = 2FeO
2C + O2 = 2CO.
Затем образованный феррум (II) оксид окисляет примеси - кремний, марганец, фосфор и углерод:
Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe
Mn + FeO = MnO + Fe
2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe
C + FeO = CO + Fe.
За счет теплоты, выделяющейся при реакции, поддерживается высокая температура. Полученные оксиды кремния (IV) и фосфора (V) реагируют с флюсами с образованием легкоплавких шлаков, которые удаляют из печи:
P2O5 + СaCO3 = Ca3 (PO4) 2 + CO2
SiO2 + СaCO3 = CaSiO3 + CO2.
Избыток феррум (II) оксида удаляют с помощью розкисникив (марганца, ванадия, титана), которые восстанавливают феррум с феррум (II) оксида:
Mn + FeO = MnO + Fe.
Дополнительно в процессе выплавки стали добавляют так называемые легирующие добавки (кобальт, никель, вольфрам, хром и др.), которые предоставляют стали коррозионной стойкости, прочности и других свойств, необходимых при ее применении.
Итак, процесс выплавки стали являются окислительно-восстановительным процессом.
Существует несколько способов переработки чугуна в сталь: конвертерный, мартеновский и электротермический.
Конвертерный способ производства стали предложил английский инженер-изобретатель Генри Бесемер в 1856 году. В этом методе используется специальный конвертер, который имеет грушевидную форму и может вращаться. Он изготовлен из стальных листов, а изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. Конвертер работает периодически. Конвертер наполняют в наклонном положении расплавленным чугуном и металлоломом, а производство проводят в вертикальном положении. В конвертер через специальную камеру и отверстия нагнетается воздух, окисляет примеси. После окончания процесса подачу воздуха прекращают, переводят конвертер в горизонтальное положение, выпускают шлак и добавляют розкисникы. Весь процесс длится 15-20 минут. Готовую сталь выливают в ковш и направляют в другие цеха.
По кислородно-конвертерным способом вместо воздуха в конвертер продувают кислород. Обогащение кислородом сокращает продолжительность продувки, а также увеличивает производительность конвертера.
При мартеновском методе, который предложил в 1864 году французский металлург Пьер Мартен, металлолом, чугун и флюсы загружают в печь через завалочное окна. В мартеновских печах сжигают мазут или предварительно подогретые газы. Кислород или воздух пропускают над расплавленным чугуном. Готовый металл выпускают из печи через отверстия, расположенные в низкой части подины. На время плавки выпускное отверстие забивают огнеупорной глиной. Для интенсификации мартеновского процесса воздух обогащают кислородом.
Переработку чугуна в сталь осуществляют также в электрических дуговых печах при температуре 2000 ? С и выше. Это способствует более удалению фосфора и серы за счет связывания их в шлаки. В электропечах выплавляют высококачественные углеродистые и легированные стали и ферросплавы.