Файл: Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов.pdf

3.ВЛИЯНИЕ ШЛАКА НА ОКИСЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ

ВМЕТАЛЛЕ

Растворенный в металле кислород взаимодействует с примесями, если сродство к ним больше, чем к железу. Поскольку коэффициент распределения кислорода между шлаком и металлом остается вели­ чиной постоянной, равной, например при 1600° С, 420, то кислород из шлака будет непрерывно поступать в металл. В этом случае окис­ лительная способность шлака будет больше, чем окислительная способность металла.

При интенсивном раскислении шлака в сталеплавильной печи, когда содержание FeO в нем снижается до 1—3%, окислительная способность его оказывается ниже окислительной способности ме­ талла, и кислород начнет переходить из металла в шлак.

Таким образом, шлак в сталеплавильной ванне может быть источ­ ником кислорода для окисления примесей металла или может быть аккумулятором кислорода, поступающего из металла. Этими свой­ ствами шлака широко пользуются на практике, повышая его окис­ лительную способность путем присадки окислителей для удаления вредных и избыточных примесей и понижая его окислительную спо­ собность присадкой электродного порошка, алюминиевого порошка и т . д., для удаления кислорода из металла и восстановления необ­ ходимых элементов из шлака.

В изолированной системе металл—шлак, когда в эту систему не поступает кислород и окисляющиеся примеси, наступает при данной температуре момент равновесия, точнее состояние динами­ ческого равновесия, которое можно описать уравнением

В большинстве случаев с повышением температуры в записанном виде постоянная равновесия реакции уменьшается, и поэтому повы­ шение температуры способствует восстановлению примеси, т. е. по­ вышению ее содержания в металле.

Неиссякаемым источником кислорода при проведении сталепла­ вильных процессов в открытых агрегатах является воздух, посту­ пающий в рабочее пространство печи. Вместе с воздухом, а также из других источников, например из системы охлаждения, в атмо­ сферу печи поступает водяной пар. Кроме того, окисление электро­ дов и выделение из ванны окиси углерода приводит к появлению в атмосфере печи С 02. Таким образом, в печной атмосфере открытой печи присутствует то или иное количество кислорода, водяного пара и углекислого газа.

В общем виде окисление примесей за счет окислительных компо­ нентов печной атмосферы, например за счет С 02, опишется схемой:

2 С 0 2 газ = 2СОгаз -f- 0 2 газ; 0 2 газ = 2 [О];

2 [Ме[ + 2 [О] = 2 (Me О)

2С02газ + 2 [Me] = 2 {Me О) + 2СОгаз

и

К— (Ме0' %)2Рсо

Р" 1Ме, %}УСо / '

Таким образом, изменяя окислительный потенциал печной атмо­ сферы, можно менять содержание примеси в металле или степень его окисления. Практически уменьшить окислительный потенциал печной атмосферы можно, улучшая герметичность печи и присажи­ вая на шлак вещества, которые в первую очередь будут взаимодей­ ствовать с окислительными компонентами печной атмосферы.

4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА МЕТАЛЛ—ШЛАК

Все обычно присутствующие в сталеплавильной ванне примеси, кроме углерода, в процессе плавки в зависимости от их свойств и прежде всего сродства к кислороду, перераспределяются по ходу плавки между металлом и шлаком вследствие протекания окисли­ тельно-восстановительных процессов на границе раздела металл— шлак. По степени сродства к кислороду все примеси, находящиеся в металле и шлаке по ходу плавки (кроме углерода, продукты окис­ ления которого уходят, в газовую фазу), могут быть условно разде­ лены на три группы.

К первой группе относятся элементы, практически полностью выгорающие во время плавки. Такими элементами в первую очередь являются алюминий, титан и отчасти кремний. Вводя относительно небольшие их количества в металл, можно понизить содержание кислорода в нем до пределов, при которых углерод не может с ним взаимодействовать, т. е. осуществлять таким образом раскисление стали. Вторая группа элементов, включающая медь, никель, молиб­ ден и др., характеризуется практически полным их восстановлением из шлака в металл. Эти элементы без опасности потерь можно вносить в ванну в ранние периоды плавки. Наконец, третья группа элемен­ тов, таких как хром, марганец, вольфрам, фосфор, ванадий и др., способна восстанавливаться или окисляться в зависимости от тем­ пературы, состава шлака и металла и их содержания на границе раздела металл—шлак. Концентрация этих примесей изменяется во время плавки, и меняя соответствующим образом условия про­ цесса, сталеплавильщик имеет возможность управлять развитием интересующих окислительно-восстановительных реакций.

148

5. ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕРОДА

Реакция окисления углерода, растворенного в железе, описы­

Постоянная равновесия при рсо — 0,1 МН/м2 (1 ат) будет иметь вид

О знаке теплового эффекта реакции окисления углерода (X II1-4) до сих пор нет единого мнения. Некоторые исследователи указывают на небольшое положительное значение этого эффекта, равное около 17,5 кДж/моль (5000 кал/моль), другие приводят отрицательное значение теплового эффекта, равное примерно —42 кДж/моль (—10 000 кал/моль). Во всех случаях абсолютные значения теплового эффекта реакции окисления углерода невелики, что дает основание полагать, что равновесные значения концентрации углерода и кисло­ рода в металле почти не зависят от температуры, и влиянием тем­ пературы на окисление углерода растворенным в металле кислородом можно пренебречь.

Другое положение наблюдается при окислении углерода на гра­

Если окисление углерода кислородом из газовой фазы (ХП-6) со­ провождается выделением большого количества тепла, то окисление углерода закисью железа из шлаковой фазы протекает с поглоще­ нием тепла.

Выделяющаяся окись углерода перемешивает металл, обеспечи­ вая высокие скорости массопереноса веществ в ванне, выравнивание ее состава и ускорение нагрева. Кроме того, в пузыри окиси угле­ рода переходят газы, растворенные в металле (водород, азот), а пере­ мешивание металла способствует ускорению всплывания неметал­ лических включений.

Наиболее медленной стадией процесса окисления углерода яв­ ляется стадия образования пузыря. Легче образуется пузырек СО на твердой поверхности подины и откосов, где к тому же имеются готовые газовые пузырьки, остающиеся в микропорах после выпуска металла. Однако и в этих условиях необходимо некоторое избыточ­ ное содержание в металле кислорода против равновесного с углеро­ дом. Поэтому содержание кислорода в кипящей ванне электропечи, так же как и любого другого сталеплавильного агрегата, несколько выше равновесного. В то же время содержание кислорода в металле кипящей ванны определяется в основном содержанием углерода.

149

Процесс окисления углерода можно приостановить, снижая со­ держание кислорода в металле ниже равновесного с углеродом путем присадок в ванну элементов-раскислителей, обладающих более вы­ соким сродством к кислороду, например кремния, алюминия и т. д.

6. УДАЛЕНИЕ СЕРЫ ИЗ МЕТАЛЛА

Согласно современным представлениям, процесс десульфурации может быть представлен следующей схемой:

При высоком содержании углерода в металле возможно проте­ кание также реакции

С позиции молекулярного строения шлака процесс десульфурации описывается уравнением

а постоянная равновесия имеет следующий вид:

С повышением температуры величины K s и K's имеют тенденцию

к возрастанию, т. е. в конечном счете с повышением температуры со­ держание S в металле должно уменьшаться. В условиях сталепла­ вильной ванны скорость десульфурации металла зависит в решающей степени от скорости перехода серы через границу раздела металл— шлак. Скорость этой стадии возрастает с уменьшением вязкости шлака. Повышенная температура обеспечивает большую жидкотекучесть шлака, меньшую его вязкость. Поэтому повышение темпе­ ратуры сталеплавильной ванны сопровождается более глубокой де­ сульфурацией металла.

Снижению содержания серы в металле способствует также вы сокое содержание окиси кальция в шлаке. В связи с возможности > получать в электропечи шлак с содержанием 60—55% СаО в до­ статочно жидкоподвижном состоянии, в электропечи можно получать сталь с более низким содержанием серы, чем в мартеновской печи, где содержание СаО в шлаке не может по температурным условиям

превысить 50—55%.

Из выражения константы равновесия реакции десульфурации (ХШ-12) и (ХШ-14) вытекает отрицательное влияние повышенного

150