2.7. Десульфурація

Сірка надходить у конвертер із чавуном, брухтом, вапном, іншими шихтовими матеріалами, а також із доменним або міксерним шлаком.

Відповідно до термодинаміки реакцій сірка перерозподіляється між металом і шлаком до стану рівноваги незалежно від того, якими матеріалами, металевими чи неметалевими, вона введена.

Реакції, при яких здійснюється перерозподіл сірки між металом і шлаком, очевидно, залежать від складу шлаку.

При основному шлаку видалення сірки може бути представлено реакцією

[S] + (CaO) → (CaS) + [0], (2.83)

або

[S] + [Fe] + (CaO)→(CaS) + (FeO), (2.85)

Визначення активностей компонентів шлаку яСа0 і #caS представляє певні труднощі, тому температурні залежності їх констант рівноваги відсутні.

Якщо шлак має низьку основність, то сірка може в нього видалятися за реакцією

[S] + [Fe]→(FeS), (2.87)

яку частіше записують у вигляді

[S] + [Fe]→(S2-) + (Fe2+). (2.89)

Така реакція можлива на початку конвертерної продувки, коли, завдяки високій концентрації вуглецю і кремнію в металі, коефіцієнт активності сірки значний, а, значить, рівноважна зі шлаком концентрація сірки в металі може виявитись нижчою за фактичну.

Однак практично значиме видалення сірки з металу у шлак починається при основності останнього вище (СаО) / (SiO2) > 2, коли утворюється сполука двокальцієвий силікат і з'являються вільні аніони кисню (О2-) в результаті дисоціації основних оксидів СаО, MgO, MnO, FeO за реакцією

(ЕО)→(Е2+)+(O2-). (2.90)

Значимість цього факту можна підтвердити, записавши в іонній формі реакцію (2.83)

[S] + (O2-)→(S2-) + [O]. (2.91)

В ідповідно до правила Ле-Шательє, реакція (2.91) може зрушуватись управо, забезпечуючи десульфурацію металу, тільки за умови, що мольна частка xo2- > 0.

Динаміка видалення сірки з металу у шлак може характеризуватися рис. 2.14. При низькому вмісті сірки в неметалевій шихті і відсутності доменного чи міксерного шлаку вміст сірки в металі змінюється по лінії 1. У першій третині продувки він знижується за­вдяки високому коефіцієнту активності сірки в результаті перебігу реакції (2.89). Далі можливий деякий ріст його, якщо до цього моменту основність шлаку менша 2. У за­ключній частині продувки при (CaO/Si02)>2 вміст сірки знову знижується. При значній масі сірки, що вноситься неметалевою шихтою і доменним чи міксерним шлаком, які відразу ж розчиняються у конвертерному шлаку, вміст сірки у металі в першу половину продувки збільшується (лінія 2) через низьку основність шлаку, а після того, як досягається основність більше 2, - знижується.

Із балансу сірки, що вноситься чавуном іншими матеріа­лами і надходить у сталь ,

враховуючи, що - коефіцієнт розподілу сірки між металом і шлаком, можна знайти, від чого залежить вміст сірки у сталі

Величина Ls залежить, насамперед, від вмісту основних оксидів у шлаку, збільшуючись з його ростом.

При основному шлаку коефіцієнт розподілу сірки має величини порядку 10°-101, тобто невеликий.

Збільшення Ls і Мшл є головним методом зниження вмісту сірки у виплавленій сталі при даному складі шихти.

Іноді на практиці для видалення сірки використовують проміжне скачування пер­винного низькоосновного шлаку. Тоді наступні добавки вапна дадуть більш значний ріст основності шлаку і збільшення Ls, що перевищує деяке зниження маси шлаку наприкінці продувки.

Зі збільшенням основності шлаку його температура плавлення і в'язкість зростають, що знижує інтенсивність масопереносу сірки у шлаку і може знизити ступінь десульфурації металу, відн.%:

Тому при одержанні шлаку з основністю (CaO/Si02)≥ 3,5...4 необхідно збільшувати добавку у шлак матеріалів, що знижують його температуру плавлення.

Сірка може частково видалятись у газову фазу, в тому числі в кислих процесах. Це відбувається при горінні крапель металу у первинній зоні взаємодії окислювального дуття з конвертерною ванною, коли разом з іншими елементами згоряє і сірка. Якщо на 1 т сталі витрачається Vq2 м3 кисню, причому на кожен м3 якого згоряє 5 кг заліза, що містить [S] сірки, то видалення сірки у газову фазу складає, %

У 60-х роках розроблялися спеціальні технології продувки в конвертерах верхнього кисневого дуття, що припускають окислення сірки шлаку киснем дуття за реакцією

і відповідний перехід сірки з металу у газ.

Однак з'ясувалося, що цей процес вимагає низької інтенсивності взаємодії кисневих струменів із ванною і низької швидкості окислення вуглецю, що приводить до високого вмісту оксидів заліза у шлаку, який досягає 40-50%. Негативні наслідки цього не дозволили реалізувати виробничу технологію такого способу десульфурації.

В останні десятиліття спостерігається тенденція вирішення проблеми десульфурації шляхом попередньої обробки чавуну і позапічної обробки сталі, які більш ефективні і стабільні за результатами, ніж десульфурація в конвертері.