Машиностроение и механика

Основные реакции сталеплавильных процессов

Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), особое значение в сталеплавильной прак­тике имеют реакции окисления. Кислород для протекания этих реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кислородом.

Окисление углерода

Углерод в стали - это ее самая распространенная полезная примесь. Содержание углерода как полезной примеси в стали обычно изменяется от 0,05-0,10 до 1,0-1,2%.

Углерод в твердом железе способен образовать пересыщенный раствор, т.е. оставаться в растворе в количествах, значительно превышающих растворимость. В результате атомы углерода занимают некоторые узлы в кристаллической решетке железа (феррита), что вызывает ее искажение и приводит к возникновению в ней напряжений, способствующих повышению прочности и твердости железа.

Углерод, содержащийся в исходной металлошихте, в основном в чугуне, оказывает решающее положительное влияние на ход и результаты окислительного рафинирования металла в любом аг­регате. Это связано прежде всего с тем, что в течение всего этого периода углерод окисляется.

Во-первых, при окислении углерода выделяются газы СО и СО₂. Это газовыделение обеспечивает интенсивное перемешивание ванны (металла и шлака), без которого сталеплавильные процес­сы в существующих вариантах нереализуемы. Кроме того, пузыри СО, проходя через жидкий металл, способствуют удалению из него газов и неметаллических включений.

Во-вторых, процесс окисления углерода газообразным кисло­родом протекает с выделением тепла, которое используется для нагрева ванны.

В-третьих, реакция окисления углерода [C]+(FeO)={CO}+[Fe] защищает железо от чрезмерного окисления во время его окисли­тельного рафинирования, т.е. способствует уменьшению неизбеж­ных потерь железа из-за его окисления.

В-четвертых, содержание углерода в металле и непрерывное его окисление являются основными факторами, определяющими содержание кислорода в металле, от которого зависит содержание оксидных неметаллических включений в готовой стали, т.е. ее качество.

Поведение углерода

Окисление углерода в сталеплавильных процессах в основном (на 85-90 %) протекает до {СО}. Сопутствующая ей реакция окисления углерода с образованием СО₂ имеет второстепенное значение. Содержание CO₂ не превышает 10-15 %.

Возможные реакции окисления углерода, растворенного в металле:

1. [С] + 1/2О₂ = СОгаз; ΔG° = -152570 - 33,8Т; - идет с выделением тепла.
2. [С ] + (FeO) = Fe + СОгаз; ΔG° = +85 373 – 83,8Т; - протекает с поглощением тепла.
3. [С] + [О] = СОгаз; ΔG° = —35 630—31 Т; - с выделением тепла.

Если проанализировать изменение величины ΔG° при изменении температуры, то окажется, что во всех случаях значение ΔG° с повы­шением температуры уменьшается, т. е. ее повышение благоприят­ствует протеканию реакции окисления углерода.

Константа равновесия реакции [С] + [О] = {СО} в общем случае определяется выражением Кс = Pco/(a[c]a[o]). При концентрациях углерода до 1%, а кислорода до 0,08% коэффициенты их активности примерно равны единице, поэтому Кс=Рсо/([С]·[О]).

Поскольку значение теплового эффекта реакции мало, им мож­но пренебречь. Тогда для любой температуры Рсо/([C]-[О])=const.

В конце сталеплавильного процесса при температуре 1600 ⁰С для открытых агрегатов (Рсо= 1 кг/см²), можно считать, что Кс = 402, тогда

[C]∙[О]=Рсо/Кс=Рсо/402=0,0025Рсо=0,0025.

Это означает, что в рассматриваемых условиях равновесное остаточное содержание углерода в металле зависит только от концентрации кислорода, причем чтобы получить [С]min, необходи­мо обеспечить [О]max.

Теоретически возможное максимальное содержание кислорода (см. рисунок 3) при температурах конца сталеплавильных процессов [О]= 0,20-0,25%. Приняв среднее значение [О]= 0,23% и под­ставив его в уравнение, получим [С]_min= 0,0025/0,23 = 0,01%, т. е. в открытом сталеплавильном агрегате невозможно получить содержание углерода < 0,01%.

В реальной сталеплавильной ванне в конце плавки очень труд­но получить шлак, содержащий > 50% оксидов железа, поэтому максимальное содержание кислорода в металле составляет 0,10-0,12% и минимальное остаточное содержание углерода не быва­ет меньше 0,02%. Получение такого низкого содержания углерода в металле является нежелательным, так как приводит к резкому снижению выхода годного ввиду чрезмерного окисления железа и повышенному износу футеровки агрегата.

В современной практике производство стали с содержанием < 0,02% С получает большое развитие. В этих случаях в открытых агрегатах обычно достигают остаточного содержания углерода 0,025-0,040%. Дальнейшее снижение содержания углерода в ме­талле достигают обработкой жидкой стали вакуумом и нейтральным газом.

Общие принципы достижения заданного содержания углерода в готовой стали.

1 Неизбежное непре­рывное окисление этой примеси в течение всего периода окисли­тельного рафинирования.

2 Для достижения заданного содержания уг­лерода в готовом металле необходимо иметь определенный запас углерода в исходной шихте (превышение исходного содержания над конечным) и рационально расходовать этот запас в период окислительного рафинирования.

3 Плавка должна быть проведена так, чтобы имеющийся запас углерода был израсходован точно в течение того времени, которое требуется для решения других задач, кроме окисления углерода: нагрева, дефосфорации и десульфурации металла и т.п.

<< Prev - Next >>