11.Взаимодействие кислородной струи с ванной жидкого металла в конвертере.
Реакции окисления в конвертере В течение продувки за счет подаваемого в конвертер кислорода окисляется избыточный углерод, а также кремний, большая часть марганца и некоторое количество железа. Окисление примесей жидкого чугуна — углерода, кремния и марганца можно представить следующими итоговыми реакциями: [С] + 1/2O2 = СО; [Si] + O2 = (SiO2); [Mn] + 1/2O2 = (MnO). Следует, однако, иметь в виду, что за счет непосредственного взаимодействия с газообразным кислородом окисляется лишь незначительная часть примесей. Окисление большей части примесей протекает по более сложной схеме - первоначально в зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо: Fe + 1/2O2 = FeO; его окисление объясняется тем, что концентрация железа в несколько десятков раз больше концентрации других элементов, и поэтому с вдуваемым кислородом прежде всего контактируют атомы железа. Образующийся оксид FeO растворяется частично в металле: FeO = [О] + Fe и частично в шлаке: FeO +(FeO) и уже за счет этого растворенного в металле и шлаке кислорода окисляются прочие составляющие жидкого чугуна. Соответственно окисление, например, углерода идет по следующим схемам: Fe + 1/2O2 = FeO; Fe +1/2O2 = FeO; FeO = [О] + Fe; FeO = (FeO); [C] + [O] = CO; [C] + (FeO) = CO + Fe. Если просуммировать уравнения реакций правого или левого столбцов, то в обоих случаях получим итоговую реакцию окисления углерода: [С] +1/2O2 = СО, которая, таким образом, отражает лишь начальное и конечное состояние процесса окисления. Таким образом, для продувки в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи с металлом (в "первичной реакционной зоне") и окисление прочих составляющих металла за счет вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны.
12.Дайте характеристику реакции десульфурации расплава при производстве стали (запишите химические реакции, по которым возможна десульфурация; назовите факторы, влияющие на скорость и глубину протекания реакций).
Десульфурация металла шлаком
Основные пути снижения серы в расплаве:
использование чистых по сере шихтовых материалов,
проведение десульфурации чугуна, если он используется для выплавки стали,
проведение операции десульфурации стали при ее выплавке,
проведение внепечной десульфурации стали.
Процесс десульфурации расплава стали можно описать уравнениями
Исходя из численных значений констант равновесия перечисленных выше реакций можно сделать вывод, что максимальная степень перераспределения серы из металла в шлак будет происходить при наличии в шлаке свободной извести.
Из выражения константы равновесия реакции (9.14) определим условия, способствующие десульфурации стали шлаком:
пониженная активность оксида железа в шлаке,
повышенная активность извести в шлаке,
повышенная температура,
пониженная активность сульфидных соединений в шлаке.
Таким образом, на практике наиболее активно процесс десульфурации проходит в восстановительный период электроплавки, когда температура металла наиболее высокая. Для интенсификации этого процесса наводится высокоосновный (свободная СаО) раскисленный белый или карбидный (низкое содержание оксида железа) шлак, при этом чем выше его масса, тем больше степень десульфурации металла.
В практике используют коэффициент распределения серы между шлаком и металлом
Поскольку содержание серы в шлаке активно зависит от окисленности шлака (в первую очередь от содержания оксида железа), то и величина коэффициента сильно колеблется от окисленности шлака и для различных шлаков восстановительного периода может принимать значения от 15 до 300.
13.Каким образом процесс окисления углерода оказывает влияние на ход плавки в мартеновской печи?
14.Способы раскисления стали. Их преимущества и недостатки.
Для понижения концентрации растворенного в металле кислорода в промышленных условиях чаще других используют следующие три различающихся по принципу удаления кислорода из металла способа раскисления: осаждающее, экстракционное (диффузионное) и вакуумно-углеродное.
Осаждающее раскисление заключается в том, что основную часть растворенного в металле кислорода переводят в нерастворимые оксиды элементов-раскислителей, которые вводят непосредственно в жидкий металл. Плотность абсолютного большинства оксидов меньше плотности жидкой стали, поэтому они всплывают из металла и частично удаляются в шлак.
Этот способ раскисления стали получил наиболее широкое распространение главным образом благодаря простоте его реализации. Главным его недостатком является то, что за время отстаивания ковша из металла всплывают только наиболее крупные неметаллические включения. Значительная часть образовавшихся при раскислении неметаллических включений остается в стали вплоть до ее затвердевания.
Экстракционное раскисление состоит в том, что металл выдерживают в контакте со шлаком, содержание оксидов железа в котором во много раз меньше, чем в шлаке периода окислительного рафинирования. При этом по мере приближения системы к состоянию равновесия концентрация кислорода в металле уменьшается, приближаясь к равновесной с новым раскислительным шлаком. Этот процесс протекает путем диффузионного переноса части кислорода из металла в шлак, поэтому этот способ обработки называют также диффузионным раскислением.
Преимущество экстракционного раскисления перед осаждающим состоит в том, что металл не загрязняется продуктами раскисления. Однако этот способ обработки требует дополнительного расхода шлакообразующих материалов, энергии и значительно увеличивает продолжительность плавки.
Вакуумно-углеродное раскисление основано на смещении равновесия реакции
[C] + [O] = {CO} - (12.22)
в направлении образования дополнительного количества оксида углерода при понижении парциального давления СО в продуктах реакции.
Главным преимуществом вакуумно-углеродного раскисления является то, что газообразные продукты реакций полностью удаляются из металла. Однако реализация этого способа обработки связана с необходимостью наличия достаточно сложного и дорогостоящего оборудования.
Способы раскисления стали
Наиболее совершенным способом получения стали является ее выплавка в электропечах. Для этого используют дуговые и индукционные печи. В электрических печах можно получать температуру до 2000 °С, что позволяет расплавлять тугоплавкие компоненты (Cr, W, Мо и др.), иметь основной шлак; хорошо очищающий металл от вредных примесей (S и Р), создавать восстановительную атмосферу или вакуум и достигать хорошего раскисления и дегазации металла. При использовании кислородного дутья производительность повышается на 15-25%, а расход электроэнергии уменьшается на 10-15% на 1 т стали. В электрических печах выплавляют главным образом высококачественную углеродистую и легированную сталь.
При всех способах производства стали для окисления углерода, марганца и других примесей необходим избыток кислорода. Подаваемый к концу плавки в сталеплавильную ванну кислород активно окисляет железо и переводит его в закись.
При наличии закиси железа в расплавленной ванне углерод окисляется не элементарным кислородом, а закисью железа FeO, которая восстанавливается до железа по реакции C + FeO-Fe + COf. Такая сталь называется нераскисленной и не пригодна ни для обработки ее путем пластической деформации, ни для эксплуатации. Механические свойства, коррозионная стойкость и свариваемость нераскисленной стали совершенно недостаточны. Поэтому сталь, выплавляемая любым способом, должна быть раскислена путем добавления раскислителей для восстановления железа из его закиси FeO. Раскислителями являются марганец, кремний и алюминий, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.
Гарантией качества партии продукции, является наличие сертификата соответствия. Сертификат соответствия ГОСТ Р - государственная гарантия качества. Сертификат соответствия является обязательным сопроводительным документом.
Образующиеся продукты раскисления имеют меньшую плотность, чем сталь, и всплывают в шлак. Марганец и кремний вводят в сталь в виде ферромарганца и ферросилиция, алюминий- в виде чистого металла. Раскисление производят при выпуске стали.
В зависимости от степени раскисления различают:
сталь кипящую (кп),
полуспокойную (пс),
спокойную (сп).
Кипящая сталь является наименее раскисленной, для ее раскисления применяется только ферромарганец. В этой стали реакция FeO + C->Fe+CO не прекращается перед разливкой из-за выделяющихся пузырьков СО, и металл продолжает «кипеть». Газовые пузырьки, оставшиеся в металле, устраняются при последующей горячей прокатке. При таком способе раскисления стали получается наибольший выход годного металла и наименьшие отходы. Сталь имеет высокую пластичность благодаря отсутствию кремния и используется при изготовлении изделий путем глубокой вытяжки.
Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и ферросилицием. По качеству и свойствам она является промежуточной между спокойной и кипящей сталью.
Спокойная сталь является наиболее раскисленной и получается при последовательном раскислении ферромарганцем, ферросилицием, алюминием. Эта сталь наиболее качественная, но и наиболее дорогая, потому что при кристаллизации металла в верхней части слитка образуются усадочные раковины, которые удаляют обрезкой как отходы, что значительно уменьшает выход годного металла.
Спокойную и полуспокойную сталь применяют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации значительные механические нагрузки.Степень раскисления стали указывается в ее маркировке.