3.3.4. Головш реакцп

Ослолыш сталь виробляють з чавуну 1 брухту завдяки окисненню та видаленню дом1шок (С, 51, Мп, Р та ш.), велике значения у сталепла­вильному виробництв1 мають реакцп окиснення. Кисень, потр1бний для цих процеав, надходить 13 р1зних джерел:

газовоТ фази атмосфери сталеплавильних агрегатов 1 газ1в, як1 вводять до сталеплавильно!' ванни;

твердих окисник1в, що додають у ванну, оксиди феруму яких перехо- дять до шлаку або безпосередньо взаемод1ють з метал ом;

сталеплавильного шлаку з окисними властивостями;

футер1вки ванни, тобто вогнетрив1в.

Якщо газова фаза окисноУ атмосфери агрегату у вигляд1 0₂, С0₂ 1 Н₂0 контактуе з металом, то кисень газово!" фази безпосередньо реагуе з елементами, розчиненими у метал1, наприклад

0,5 {0₂ } + [С]={СО}; 1§Х_с_₀₂ = 7280/7 + 2,15. (3.8)

Якщо газова фаза контактуе 31 шлаком, то на меж1 контактування вщбуваеться реакщя окиснення, наприклад

2(РеО) + 0,5{0₂} = (Ре₂0₃). (3.9)

Унаслщок реакци (3.9) вмхст (Ре₂0₃) у поверхневому шар1 пщви- щуеться 1 стае вищим, тж в об'ем! шлаку. Пот1м вщбуваеться перене­сения кисню кргзь шар шлаку до поверхш контактування шлак — метал. У раз1 пщвищення вм1сту (Ре₂0₃) на щй поверхш вщбуваеться така реакщя:

(Ре₂О_э) + [Ре] = З(РеО), (3.10)

але внаслщок пщвищення вм1сту (РеО) останнш розчиняеться в ме­тал!:

(РеО) = [Ре] + [О]. (3.11)

Вщомо дв1 теори окисних процес1В, як1 здшснюються у стале- плавильнш ваннг. одно-1 двостадшна. За першою теоргею вщбуваеться реакщя (3.8), а за другою — кисень спочатку реагуе переважно 13 за- лкюм, вм)ст якого (близько 95 %) значно перевищуе вм1ст шших дом]- шок:

0,5{О₂} + [Ре] = (РеО); 1§Х_Ре_о₂ = 12440/Т - 2,58. (3.12)

Оксид феруму (II), що при цьому утворюеться, окиснюе дом1шки металу

(РеО) + [С] = {СО> + [Ре]; 1§Х_с__Ре0 = -5160/Г + 4,73. (3.13)

Ана.'пз цих теорий з погляду масоперенесення свщчить про те, що ■пльки вуглець може окиснюватися за першою теор1ею (лише у цш реакцп вихщн1 продукта входять у газову фазу за меж1 контактування, ;>ллишаючи останню чистою, а безпосередне контактування газовоТ фази з металом зберггаеться). В ус1х шших випадках окиснення вщбуваеть- гя внаслщок загального окиснення металу (зал1за й домшок) киснем з утворенням оксидов феруму з подальшою реакщею останнього з еле- мсптами, розчиненими у метал 1, тобто за другою теор1ею.

Сталеплавильний шлак мютить оксиди феруму у вигляд1 (РеО) 1 (1'с₂Оз) з переважною юлыистю першото, тому веч окиси: реакцп за участю шлаку записують як (РеО). Дисощащя оксщцв феруму шлаку на реакщею (3.11) е основою окисних процеав за участю шлаку.

Вщповщну роль в окисних процесах вщхграе оксид карбону (IV), що утворюеться внаслщок дисощацп вапняку 1 непропечено! частини нпнна.

Розглянемо окиснення деяких елеменпв сталеплавильно? ванни.

Карбон (вуглець), розчинений у метал1 за температури, що спостер1- I асться у сталеплавильних процесах, окиснюеться переважно за реак- ц1('1о

[С] + [0] = (С0};1§Х_с_₀ = 1160/Г+ 2,0. (3.14)

Оксид карбону (IV) С0₂ хоча й утворюеться, але в набагато меншш к1л1>кост1, шж оксид карбону (II) СО, тому весь процес окиснення за- мшчай записують у вигляд1 реакцп (3.14). За дуже низьких концент- рпцш вуглецю реакцш утворення оксиду карбону (IV) обов'язково 11огр'|бно враховувати. Швидгасть реакцп окиснення вуглецю (реакци шгнуглецювання) визначають штенсившстю подведения окисника та умомами утворювання й вид1лення СО. Для утворення бульбашки СО и метал! вона мае подолати тиск стовпа металу р_м, шлаку р_ш та ат- мосфсри р._А< а також сил зчеплення рщини (подолання сил поверх- нсиою натягу) р_пн:

Рсо^Ра+Рм+Рш + Рр.н- (3.15)

дс /)₍^и₍₎ тиск виникнення бульбашки СО; р_ПН =2о/г, де ст — мпщ'ншл поперхневого натягу на меж! под1лу метал — бульбашка; г — рад1ус бульбашки ( р_{п н} треба враховувати за невеликих значень г, а якщо г > 1 мм, то нею можна знехтувати).

Згщно з р1внянням (3.14)

[С] = _Рс0/К_с__0Й[0]/с- (3-16)

Осюльки реакщя (3.14) мае невеликий екзотерм1чний ефект, вплик температури на реакцш також незначний, а залишковий вм1ст вугледю визначаетьея тиском в атмосфер!, що межуе з мегалом, та актившстю киеню у ванш. Зниження тиску, наприклад пщ час вакуумування, при зводить до кишння металу 1, як наслщок, до зниження вм1сту залишко вого вуглецю.

На вщмшу вщ шших елемент1в окиснення вуглецю вщбуваеться з утворенням газопод1бних продукпв реакцп. Реакщя (3.14) здшснюеться у тому М1СЦ1 ванни, де створюються найсприятлив1ип умови для заро- дження газово! фази (межа под1лу метал — футеровка, метал — буль- башка СО, що шдшмаеться, метал — неметалев1 включения).

Вуглець, розчинений у метал1, може окиснюватися киснем газовоТ фази (реакщя (3.8)); оксвддв феруму в шлаку (реакщя (3.13)); кис­нем, розчиненим у метал1 (реакщя (3.14)). В ус1х випадках пщвищен- ня температури сприяе переб1гу реакцп окиснення вуглецю.

Манган за своши властивостями близький до зал1за, в якому вш розчиняеться у будь-яких сшввщношеннях. Кр1м того, Манган — елемент, що легко окисшоеться, особливо за низьких температур ванни.

Окиснення мангану вщбуваеться за реакщею

[Мп] + [О] = (МпО); 1§^_Мп-о = 12760/Г - 5,68. (3.17)

Зпдно з реакщею (3.17), залишкову концентращю мангану в метал1 визначають як

[Мп] = а_Мп0//С_Мп_₀а_[0]/_Мп. (3.18)

Бона залежить вщ складу шлаку, вм1сту кисню в метал1 й температу­ри ванни. Впродовж плавки шдвшцуеться актившсть оксиду мангану (II), вм1ст кисню в метал1, температура ванни. Однак щ фактори на хщ реакци ддать протилежно (3.17), внаслщок чого манган на початку плавления зазвичай окисиюеться до концентрацп, яка вдв1ч1-втрич1 менша за початкову, а в подальшому змшюеться залежно вщ перел!чених умов, перебуваючи в сташ, близькому до р1вноваги 31 шлаком:

[Мп] + (РеО) = (МпО) + [Ре];

^Кмп-ГеО =6440/7-2,95. ⁽³¹⁹⁾

Залишковий вм1ст мангану визначають за формулою

[Мп] = я_мп0/^_мп_р_е0й_ре0. (3.20)

За достатньо велико! початково'! концентрацп мангану в металошихт1 у другому перюд1 плавки спочатку переважае вплив зростаючоУ темпе- рнтури ванни та основносп шлаку (сс_Мп0 пщвищуеться), а ^м_п_р_ео ^— яиижуеться (реакщя екзотерм1чна), тобто вщбуваеться вщновлення мппгану. Наприкшщ плавки, особливо за низько!' концентрацп у металг муглецю, збшьшуеться вм1ст оксидов феруму в шлаку та сХр_ео> що зу- моилюе зниження вмюту мангану в металл

Нщповлеиня мангану також може вщбуватися за реакщями

(МпО) + [С] = [Мп] + {СО}; 2(МпО) + [5!] = 2[Мп] + (5Ю₂). (3.21)

Силщш розчиняеться в зал131 у будь-яких сшввщношениях. Основна миса силщш надходить у ванну з чавуном, де його окиснення вщбуваеть­ся за реакщею

[3!] + 2[0] = (5!0₂); 1§/С₅₁_О = ³⁰ 720/Г- 11,76. (3.22)

Залишковий вм1ст силщш визначають як

[З*] = ^а5Ю₂ / ^К51-0^а[0/51' (³-²³>

причому вш пщвищуеться 31 зростанням активност1 кремнезему в оксид- II1/1 фаз1, зменшенням вмкту кисню в метал! та пщвищенням температу- рм нанни (реакщя екзотерм1чна). Для основных шлашв Д5ю₂ становить 0,001 —0,01, тому залишковий вмют силщш в метал1 наприкшщ плав­ки дуже низький — 0,02 — 0,03 %. Для кислих шлаюв ~ 1, тому инлшнковий ВМ1СТ сшпцш визначаеться температурою та вмютом у метал1 кигшо 1 становить наприкшщ плавки 0,2 — 0,4 %.

Фосфор у рщкому зал131 розчиняеться у великих юлькостях. Зазви- чпй його вважають шкщливою домгшкою, що пов'язано:

а) .'И значним розширенням двофазно! област1 М1Ж Л1шями лжвщусу I пиндусу, внаслщок чого пщ час кристал1защ! зливка або вщливки ииникае велика первинна лжващя (сегрегащя) та значне звуження у пбласп, що полегшуе розвиток сегрегацп 1 в твердому сташ;

б) шдносно невеликою швидкктю дифузп фосфору в а- 1 у-твер- дих розчинах зал1за, внаслщок чого неоднорщшсть металу, що виникае, Нплдошльно усуваеться способами термообробки (особливо лито"! стал1, икп не пщдаеться пластичнш деформаци).

К|)пхк1 прошарування в зливку багат! на вм1ст фосфору. Осюлыот шиш розмщеш в м1жзеренному простор!, то знижують пластичш вла- гсииогп металу, особливо за низьких температур. Найшкщлив1ший прими (фосфору на якють стал! спостер1гаеться у раз1 перевищення вмюту IIVI ЛСЦЮ.

У канну сталеплавильних печей фосфор надходить переважно I чаиупом, невелика кыьюсть його вноситься з брухтом 1 фероспла- иимм

Фосфор, розчинений у зал 131, може переходити до основного сталепла вильного шлаку внаслщок екзотерм1чно1 реакцп

2 [Р] +5 (РеО) +3 (СаО) = (ЗСаО • Р₂0₅) + 5 [Ре]. (3.24)

Р1вноважний вм1ст фосфору в метал1

[^р] = [^яЗСа0.Р₂0₅ /^«РеО^Сао/о]⁰"⁵ • <³-²⁵⁾

1з (3.24) 1 (3.25) випливае, що зменшенню вм1сту фосфору в метал 1 сприяе зменшення вм1сту його оксиду в шлаку, зниження температуря, збыьшення основности та окисненостг шлаку. Отже, для видалення фосфору за високих температур одночасно потргбно мати окиснеш й високоосновш шлаки. Стввщношення К1ЛЬК0СТ1 молекул основних оксид1в при цьому мае щонайменше вдв1Ч1 перевищувати юльюсть мо­лекул кремнезему в сшпкатних 1 втричх — юльюсть молекул оксиду фосфору (V) у фосфатних шлаках.

Дефосфоризацшш властивост1 шлаку описують коефщентом роз- иод1лу фосфору М1ж металом 1 шлаком:

Ьр =(Р)/[Р] = Ю²..Л0³.

Одночасно з реакщею (3.24) виведення фосфору може вщбуватися за реакщею

2 [Р] + 5 (РеО) + 4 (СаО) = (4СаО ■ Р₂0₅ ) + 5 [Ре].

Потр1бна основшсть шлаку досягаеться розчиненням у ньому вапна. Тому окисненню фосфору сприяють фактори, яю прискорюють цей процес. Насамперед це температура ванни, 13 шдвшценням яко'Г при- скорюються процеси розчинення, яю переважають негативний вплив шдвшцення температури на р1вноважний 31 шлаком вм1ст фосфору. У деяких випадках для прискорення дефосфораци в метал у струмеш кисню подають тонкоподр1бнене вапно або проводить видалення шла­ку, який мктить фосфор, 1 наводять новий шлак.

У кислих процесах шд час проведения плавки з використанням кислих шлаюв видалення фосфору в шлак неможливе.

Сульфур (снрка) в рщкому эал131 розчиняеться в необмежених, а в твердому — в обмежених юлькостях. Шд час кристал1зацп стал 1 на меж1 зерен вид1ляються сульфщи феруму, яю твердшть останшми. Тому зал1зо 1 його сульфхди утворюють низькоплавку евтектику (тем­пература плавления 988 °С), яка за наявност1 кисню утворюе оксисуль- фщи, що плавляться за б1льш низьких температур. М1жзеренш про- шарки фази, багап на с1рку, шсля нагр1вання металу перед прокатуван- ням або ковкою розм'якшуються 1 сталь втрачае сво! властивост1 (чер- воноламюсть). Тому виведення 13 металу арки — одне з основних завдань сталеплавильника.

У ванну сталеплавильних печей арка надходить перевалено з чавуну. Дсика к1льк1сть арки вноситься з брухтом, додатковими матер1алами та з атмосфери печ1, якщо тч опалюеться мазутом або газом, яю м1стять с1рку.

У раз! контактування металу з окисною газового фазою може вщбу- иатися окиснення с1рки

[5] + 2[0] = {50₂}_; (3.26)

[5] + {0₂} = {30₂}. (3.27)

Зпдно з цими реакщями С1рки виводигься небагато. Здебшьшого нона видаляеться 13 розплавленого металу в шлак з утворенням сульфщу кальцш Са5:

[Ре] + [5] + (СаО) = (Са5) + (РеО). (3.28)

За реакщею (3.28) для переходу арки в шлак потр1бний оксид каль- цпо для зв'язування и в мщш сполуки, оск1льки тдвищення окиснення шлаку перешкоджае десульфурацп.

Р1Бноважний вм1ст с1рки в метал!

[5] = «Са5^яРеО /^5-Са0^аСа0/з- ⁽³²⁹⁾

Вш може зменшитися у раз! зниження вм1сту арки та оксидов фе- руму в шлаку, а також тдвищення активное^ оксиду кальщю, що вщбу- иасться шеля пщвищення основности шлаку.

Реакщя (3.28) вщбуваеться на поверхш под1лу фаз, тому збшьшен- п>| щеГ поверхш (перем1шування металу 31 шлаком, вдувания у метал СаО у вигляд1 порошкопод1бного вапна тощо) прискорюе реакщю 1 СИрИЯе ГЛИбшШ ДеСуЛьфураЦ11. Дифу31Я С1рКИ 3 ГЛибиНН Ванни ДО М1СЦЯ реакци — дуже повшьний ироцес. Тому перем1шування металу (пщ час кишння ванни, П продувания шертними газами або електромагшт- пс перемплування) прискорюе цей пронес.

Якщо шлак, кр1м СаО, м1стить велику юльюсть МпО, то можлива реакщя з утворенням сульфщу мангану, що майже не розчиняеться в метали

[Ре] + [5] + (МпО) = (МпЗ) + (РеО). (3.30)

Десульфуруюч1 властивост1 шлаку можна описати коефвдентом |м1.1мод'1лу арки м1ж шлаком 1 металом:

1₅ = (5)/[5] = 2...10.

Пиля зб1льшення температури ванни металу шдвищуеться (зро- | 1,н 1ишщк'|стъ дифузп арки, шлак стае рщкорухливим та активним, прискорюеться переб1г самих реакцш). Скачування шлаку 1 наведения нового (без вмшту сгрки) сприяе переходу нових порцш с1рки 13 мета лу в шлак.