2.9. Окислюваність металу

Продувка конвертерної ванни окислювальним газом супроводжується розчиненням у металі кисню. Він витрачається на окислювання домішок металу, але, в міру зниження їх вмісту, залишається в розчині у все більшій концентрації.

Видалення кисню при розкисленні сталі супроводжується утворенням неметалевих включень, наявність яких, так само, як і розчиненого кисню, негативно позначається на механічних, фізико-хімічних та інших властивостях сталі.

Розчинення в металі газоподібного кисню відбувається за реакцією

1/2{02}→[0], (2.107)

Припускають, що реакція (2.107) здійснюється у два етапи

1/2{02}→{0}, (2.109)

{О}→[()], (2.110)

а енергія хемосорбції кисню металом на основі заліза складає 120-150 кДж/моль. Цей процес повинен відбуватися у первинній зоні взаємодії між газовою фазою окис­лювального дуття і краплями металу, поки поверхня цього контакту не вкриється оксидами,

тобто в умовах, коли масоперенос кисню із газової фази до поверхні металевих крапель менший, ніж масоперенос усередині крапель до цієї поверхні елементів, які можуть окислю­ватися.

Кисень може розчинятися в металі з оксидної фази у первинній і вторинній зонах взаємодії і з конвертерного шлаку в корольках металу у шлакометалевій емульсії за реакцією

(FeO)→[Fe] + [0], (2.111)

Вважається, що окислювальний потенціал шлаку характеризується кількістю у ньому оксидів заліза, як найбільш легко дисоціюючих оксидів.

У той же час є припущення, що кисень може розчинятися в металі із футеровки, що складається зі значно стійкіших оксидів

f

Зверху вниз окислювальна здатність вогнетриву зменшується. Очевидно, шлак, насичений відповідним оксидом, також може впливати на окисленість металу.

Розчинений у металі кисень витрачається на окислення елементів, розчинених у залізі: кремнію, марганцю, ванадію, хрому, титану, вуглецю. Зі збільшенням концентрації кисню в металі системи Fe - С зростає тиск виділення Рсо відповідно до реакції

Як показано вище, у краплях металу системи Fe - С у первинній зоні взаємодії тиск виділення досягає 101-102атм і краплі вибухають. Помічено, що в експерименті, незалежно від вмісту 1-4% вуглецю у краплі, вибух настає при розчиненні в металі 0,08% кисню і появі на поверхні краплі оксидної плівки. Можна припустити, що внаслідок поверхневої активності кисню, при його концентрації в металі 0,08%, атоми останнього адсорбуються

на поверхні краплі в концентрації, достатній для утворення FeO, тобто 22,2%. При вибуху крапель кисень, розчинений у металі, витрачається за реакцією

і продукти вибуху містять меншу, ніж вихідна крапля, концентрацію кисню.

Експериментально показано, що краплі вибухають і в шлакометалевій емульсії. Однак внаслідок меншого, ніж у окислювального дуття, окислювального потенціалу шлаку реакція (2.124) може протікати не вибухоподібно, а більш спокійно, з утворенням на межі метал краплі-шлак бульб моноокєиду вуглецю або газового прошарку по типу (2.8).

Кисень може взаємодіяти і з іншими елементами

Таким чином, у конвертерному процесі існує можливість як збільшення, так і змен­шення вмісту кисню у ванні в результаті взаємодії з елементами, здатними окислюватися: кремній, марганець, вуглець та інші.Динамічна характеристика окисленості металу представлена на рис. 2.16.

На початку продувки, коли спорідненість кремнію до кисню вища, ніж у вуглецю, кисень, поглинений металом крапель у первинній зоні взаємодії, буде витрачатися, в першу чергу, на окислення кремнію, розчиненого в металі, при попаданні крапель у метал в межах вторинної зони взаємодії чи при виносі крапель із зони взаємодії у конвертерний шлак. Але при окисленні кремнію на поверхні крапель, що несуть кисень, утворюється плівка кремнезему, яка перешкоджає інтенсивному продовженню процесу звільнення крапель металу від кисню. Це, разом з безперервим насиченням крапель киснем газової фази окислювального дуття в первинній зоні взаємодії, викличе підвищення вмісту кисню в конвертерній ванні від початкового його вмісту в чавуні А по лінії А-В.

У точці В відбудеться перехід від інтенсивного окислення кремнію до інтенсивного окислення вуглецю при виконанні умови (2.53) і в подальшому швидкість окислення вуглецю зростає, як це показано у періоді II на рис. 2.13. Оскільки окислення вуглецю відбувається з виділенням газоподібних продуктів реакції (2.124) на межі розподілу фаз, інтенсифікуючих масообмінні процеси, то звільнення крапель металу від кисню у вторинній зоні взаємодії і в шлакометалевій емульсії прискорюється. Це, при сталості процесу насичення крапель киснем чи, можливо, навіть інтенсифікації вибухових процесів крапель у первинній зоні взаємодії, викличе зниження окисленості конвертерної ванни по лінії В-С (рис. 2.16).

У III періоді динамічної характеристики окислення вуглецю (рис. 2.13) сталість швид­кості його окислення забезпечує сталість вмісту кисню у конвертерній ванні на ділянці C-D(pnc. 2.16).

У точці D концентрація вуглецю досягає критичної величини, при якій надходження вуглецю у зону взаємодії з металом, що перемішується, недостатнє для засвоєння всього кисню, що вдувається, на окислення вуглецю. В результаті у IV періоді швидкість окислення вуглецю зменшується (рис. 2.13) і, відповідно, зменшується звільнення від кисню крапель металу із первинної зони взаємодії і вміст кисню у конвертерній ванні зростає по лінії D-E (рис. 2.16).

Однак при вмісті вуглецю в металі менше 0,05% (точка Е) і до вкрай низьких його концентрацій (менше 0,01%) темп наростання окисленості ванни зменшується і в подальшому вміст кисню в конвертерній ванні стабілізується на рівні 0,08-0,10% (лінія E-F на рис. 2.16). Можна припустити, що при такому вмісті кисню краплі металу у первинній зоні взаємодії вкриваються оксидною плівкою FeO і подальше розчинення кисню практично припиняється. Крім того, відповідно до виразу (2.116), основний конвертерний шлак, насичений оксидом кальцію, обмежує вміст кисню в контактуючому з ним металі при температурі кінця конвертерного процесу 1600-1650°С величиною 0,095-0,108%. А згідно з (2.118), доломітова футеровка, характерна для більшості випадків використання основного конвертерного процесу, обмежує кількість кисню в металі величиною 0,074-0,091%. При кислому конвертерному процесі і футеровці на основі кремнезему рівноважний з футеровкою вміст кисню в конвертерній ванні становитиме 0,051-0,062%.

Ці величини добре узгоджуються із тими, що фактично спостерігаються, і це дозволяє припускати справедливість описаного механізму регулювання окисленості продутого конвертерного металу при досить низьких кількостях у ньому вуглецю.

Максимум на динамічній характеристиці окисленості конвертерної ванни у точці В (рис. 2.16) визначається вмістом кремнію в чавуні у відповідності з виразом

де - різниця у кількостях кисню в точках В і А.

При збільшенні температури чавуну і зниженні в ньому концентрації кремнію можливе усунення І періоду в окислюванні вуглецю (рис. 2.13) та інтенсивне його окислення з початку продувки.- У цьому випадку ділянка А-В (рис. 2.16) наростання концентрації кисню в конвертерній ванні також усувається і, в залежності від швидкості окислення вуглецю, можливе зниження концентрації кисню з початку продувки.

Найчастіше продувка в конвертері зупиняється на ділянці D-E (рис. 2.16), коли швидкість окислення вуглецю падає (період IV на рис. 2.13). Оскільки швидкість окислення вуглецю в цей період тим нижча, чим нижча його концентрація, а окислювальність конвертерної ванни визначається інтенсивністю витрат кисню на окислення, у даному випадку вуглецю, то на практиці звертають увагу на взаємозв'язок [О] - [С] і вважають окисленість продутого металу функцією вмісту в ньому вуглецю. Відзначається також збільшення окисленості при збільшенні вмісту у шлаку оксидів заліза.

Сучасна технологія конвертерної плавки припускає контроль окислюваності продутого металу за допомогою активометрів, які визначають ao , що дозволяє здійснювати оперативний контроль окисленості металу і регулювати процес розкислення продутої сталі з одержанням необхідної окисленості готової сталі.

З окисленістю пов'язане і маловивчене питання про вміст неметалевих включень у продутому металі.

Розрізнюють стійкі і малостійкі неметалеві включення. До першого відносять силікати, кремнезем, алюмосилікати, які не розчиняються у спеціальних розчинах, що служать для електролітичного виділення неметалевих включень зі сталі. Включення FeO і МпО звичайно малостійкі. У включеннях міститься близько 50% (SiO, + А1,03), якщо сталь основна, і до 90% SiO, - якщо кисла. Решта компонентів представлені головним чином FeO і МпО, що входять як до складу силікатів стійких включень, так і являються нестійкими включеннями.

Беручи до уваги, що розрахункова за складом неметалевих включень і фактично визначена різними методами концентрації кисню близькі між собою, залишається відкри­тим питання про можливість утворення неметалевих включень при кристалізації проби металу, відібраної для визначення їх складу, в результаті взаємодії розчиненого в металі кисню з іншими елементами металу.

Не виключається також, що включення у продутій сталі залишилися від тих, що ввійшли до складу чавуну при його виплавці в доменній печі і містились у сталевому металобрухті шихти завдяки розкисленню тієї сталі, що згодом перетворилася в металобрухт.