Файл: Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс.pdf

Высокий окислительный потенциал кислородно-конвертерных шлаков и высокая интенсивность турбулентного перемешивания металла и шлака обеспечивают очень высокие скорости окисления фосфора, особенно в начале процесса (см. рис. 59). В реальных условиях конвертерной плавки скорость дефосфорацни опреде­ ляется многими секторами, суммарное воздействие которых входит в значение константы скорости окисления К■Определение зависимости величины К от факторов, характерных для конвер­ терного процесса, является весьма сложным. Попытка описать

. скорость дефосфорацни в зависимости от всех влияющих на нее факторов была предпринята в исследованиях на 1 0 0 -кг опытном конвертере [6 6 ]. Зависимость скорости окисления фосфора от начального содержания фосфора в чугуне была записана как

проводили с дополнительным перемешиванием инерт­ ным газом);

[х] — постоянная;

(CaO)f = (СаО)% — 1,87 (Si02)% — 1,58 (Р20 5)-

Судя по результатам исследования, в большинстве случаев расчетные и фактические содержания фосфора различаются весьма незначительно, хотя для отдельных точек отклонения расчетных величин от фактических достигают 0,050—0,060% в интервале исследованных значений 0—0,14%.

Данные исследования, несмотря на значительные колебания фактических значений относительно расчетных, позволяют заклю-

чить, что скорость окисления фосфора в реальных условиях кон­ вертерной плавки зависит от очень большого числа факторов, трудно поддающихся учету. Необходимо отметить, что некоторые выводы работы являются весьма интересными. Так, перемешива­ ние кислородной струей играет более существенную роль в про­ цессе, чем перемешивание в результате обезуглероживания. Этот вывод очень хорошо согласуется с выводами, приведенными ранее (см. гл. II), о роли струи в процессе перемешивания металла и шлака; в начале и конце плавки перемешивание кислородной струей играет если не основную, то весьма значительную роль.

Очень большой разброс фактических значений концентраций фосфора относительно расчетных не позволяет применять пред­ ложенную авторами формулу для описания процессов дефосфорации в начальный период плавки применительно к промышлен­ ным большегрузным конвертерам, что отмечается и самими авто­ рами. Можно сделать заключение, что прогнозирование изменения скорости окисления фосфора по ходу конвертерной плавки яв­ ляется весьма сложной задачей. При достаточно стандартной тех­ нологии выплавки и, что важнее, при относительно постоянном качестве сырых материалов прогнозировать изменение скорости окисления фосфора можно по простейшим кинетическим уравне­ ниям с применением величины К без расшифровки по экспери­ ментальным данным.

Конечная концентрация фосфора в металле конвертерных плавок, как правило, не превышает 0,03%. При хорошем пере­ мешивании металла и шлака и небольших концентрациях фосфора в металле весьма вероятно предположение о том, что конечная концентрация фосфора практически соответствует равновесной для шлака данного состава. Разумеется, речь идет о квазиравновесных состояниях, так как процесс окисления фосфора, измене­ ния состава шлака, металла и температуры происходит непрерывно не только во время продувки, но и во время повалок и выдержки металла в конвертере (когда не только выравнивается состав ванны, но и взаимодействует в определенных пределах металл со шлаком). В связи с этим представляет интерес оценить равно­ весные концентрации фосфора при типичных конвертерных шла­ ках и степень приближения фактических концентраций к равно­ весным.

Уместно отметить, что надежные методы расчета равновесных концентраций фосфора в металле и шлаке до сих пор отсутствуют.

по данным различных авторов, колеблется в пределах 0,03—276. Это объясняется произвольными и неправильными во многих случаях формулировками реакции и отсутствием идеальных си­ стем. Для чисто железистых шлаков достаточно надежный коэф­

162

фициент распределения фосфора получен в работе [63]. При за­ писи Кр в виде

(при N = и равенстве единице ионных долей Fe2+ и О2 ) величина

Тепловой эффект реакции Н = 41 000 ккал/моль.

Переход к реальным конвертерным шлакам требует учета других его компонентов. Расчет равновесных концентраций фосфора и сравнение их с фактическими выполнены в сравнительно небольшом числе работ. Следует отметить, что и применяемая методика расчета, и результаты, касающиеся степени приближения реакции дефосфорации к равновесию, совершенно различны. Наиболее простым методом без учета изменения активности ком­ понентов шлака рассчитаны константы равновесия окисления

Расчет выполнен для металла в конце продувки при содержа­ нии углерода и фосфора соответственно 0,05—0,09 и 0,009— 0,016%. При продувке использовали односопловые и многосоп­ ловые фурмы. Зависимость констант равновесия от температуры

Поскольку уравнения зависимости lg Кр от 1 IT располага­ лись весьма близко к прямой, характеризующей данные Чипмана, и угол наклона прямых был таким же, автор сделал вывод о прак­ тическом достижении реакцией дефосфорации состояния равно­ весия. Сравнительно большой разброс точек относительно расчет­ ных прямых объяснен узким диапазоном температур металла в исследованных плавках. Однако такое объяснение вряд ли можно считать убедительным; по-видимому, разброс опытных данных свидетельствует о том, что не учитывалась нендеальность системы.

Аналогичное мнение о приближении реакции обесфосфоривания к состоянию равновесия (во всяком случае при низких кон­ центрациях углерода) высказано и другими исследователями [6 8 , с. 198—226]. Степень отклонения от равновесия определяли по отношению активностей (расчетной и фактической) фосфора в металле и шлаке. Активность определяли по уравнению

lg ар = lg [Р] + 0,232 [С] + 0,135 [О].

Активность компонентов шлака определяли по данным лабо­ раторных исследований с использованием тройной диаграммы для шлаков системы FeO—Р 20 5—СаО. Принимали, что промышлен­ ные шлаки располагаются в области насыщения их известью, поэтому при одном и том же отношении R = Fe0/P20 5 компо­ ненты шлака имели одну и ту же активность. Конечно, переход к промышленным шлакам потребовал принятия известных допу­ щений.

На основе лабораторных данных построены кривые равновес­ ных концентраций фосфора в зависимости от температуры металла

ивеличины R (рис. 60). По ним определены активности фосфора

икислорода, причем активность кислорода находили из уравнения

lg а0 = lg [0% ] — 0,20 [0% ] — 0,13 [С % } + 0,07 [Р % ].

Степень отклонения от равновесия при продувке высокофос­ фористых чугунов (при низких конечных концентрациях углерода) в среднем составляла 0,84 (apaB„/ot)jaKT = 0,84). При этом отме­ чено, что степень неравновесности резко возрастает с увеличением содержания углерода в металле, что соответствует увеличению фактических концентраций фосфора по сравнению с равновесными. Увеличение степени отклонения фактических концентраций фос­ фора от равновесных при увеличении концентрации углерода

164

Степень отклонения реакции от равновесия характеризовалась отношением lg ( [Рс ]/ [Р ]). Авторы констатировали, что при пре­ деле в кислородных конвертерах как томасовского, так и марте-

Рис. 60. Равновесное содержание фосфора в зависимости от температуры и отношения R = (FeO) (Р20 6) в шлаке (цифры у кривых и точек)

новского чугунов, равновесие реакции обесфосфоривания не достигается. Среднее отношение фактической концентрации к рав­ новесной при переделе высокофосфористого чугуна составляло 1,7. Отклонения от равновесия объяснялись тем, что окислительный потенциал шлака в кислородно-конвертерном процессе (в конце продувки) настолько велик, что шлаки быстро разжижаются й в объеме под ними должны устанавливаться более низкие содер­ жания фосфора, чем во всем объеме металла.

Необходимо все же отметить, что наблюдаемые в указанных исследованиях степени отклонения от равновесия являются

в сущности весьма небольшими. Это дает основание, предполагать

содинаковым основанием как приближение распределения фос­ фора к равновесному, так и отсутствие такового. Следует учиты­ вать сравнительно малую точность расчетов равновесных концен­

траций. Неточность расчетов может обусловливаться несовер-

165