5. Основы взаимодействия металлических и шлаковых расплавов

Большинство металлургических процессов осуществляется в результате взаимодействия газовой фазы и двух жидких фаз – расплава металла и шлака. Из многочисленных способов рафинирования металла в черной и цветной металлургии самым распространенным является окислительное рафинирование.

Основная цель окислительной плавки металла – окисление вредных и излишних примесей и перевод их в виде оксидов в оксидный расплав (шлак) или в некоторых случаях в газовую атмосферу. Характер взаимодействия между шлаком и газовой фазой и между шлаком и металлом (в сталеплавильных процессах) определяет направление и полноту протекания основных процессов окисления углерода, марганца, кремния, фосфора, удаление серы, неметаллических включений.

5.1. Окисление металла шлаком

Изучению подлежат следующие вопросы:

1. распределение компонентов между шлаком и металлом;

2. окислительные свойства шлака;

3. направление окислительных реакций;

4. термодинамические и кинетические характеристики процесса окисления углерода в жидком металле;

5. термодинамические и кинетические закономерности окисления марганца и кремния в окислительной плавке;

6. термодинамические и кинетические характеристики растворения газов в шлаках.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое коэффициент распределения компонента между шлаком и металлом, чем он отличается от константы распределения?

2. Какую величину коэффициента распределения желательно иметь при плавке для легирующего компонента и вредной примеси?

3. Опишите с электронных позиций процесс растворения кислорода в шлаке.

4. Как происходит переход кислорода из шлака в металл?

5. Что понимается под окислительной способностью шлака и как она измеряется?

6. Как окислительная способность шлака связана с его основностью?

7. Почему в условиях плавки должно происходить окисление металлических компонентов металла?

8. Какие реакции возможны между растворенными в металле углеродом и кислородом? Какая из них является основной?

9. Почему появляется минимум на кривой зависимости содержания кислорода от содержания углерода в жидком железе?

10. Какие условия должны быть осуществлены для образования пузырька CO в металле?

11. Где происходит образование пузырьков CO в металле при его плавке?

12. Чем отличается поведение марганца и кремния в металле при плавке под основным и кислым шлаком?

13. Какие оксиды образуются при окислении хрома?

14. Что лимитирует скорость окисления примеси при малых и высоких ее концентрациях в металле?

15. В какой форме находятся газы в жидких шлаках?

16. Как влияет основность шлака на растворимость водяного пара и водородопроницаемость?

5.2.Процессы рафинирования металла от серы и фосфора

В этом разделе необходимо обратить особое внимание на термодинамику, кинетику и механизм процессов десульфурации и дефосфорации металла.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Почему сера является вредной примесью в стали?

2. Какие сульфидные включения допустимы в металле, а какие нет?

3. Какое влияние оказывает сера на поверхностные свойства железа?

4. Какие элементы, растворенные в стали, повышают, а какие понижают активность серы?

5. Как происходит переход серы из металла в шлак с позиций электронного строения металла и шлака?

6. Какие условия необходимо создать для обеспечения перехода серы из металла в шлак?

7. Почему повышение содержания иона Fe²⁺ в шлаке отрицательно сказывается на полноте десульфурации?

8. Почему при электрошлаковом переплаве происходит активная десульфурация металла?

9. Почему при вакуумной плавке стали применение основного шлака способствует десульфурации?

10. Происходит ли десульфурация металла при плавке в вакууме без шлака?

11. Из каких основных стадий состоит механизм десульфурации под слоем шлака?

12. Какое звено процесса десульфурации является лимитирующим?

13. Почему фосфор является вредной примесью в металле?

14. Напишите реакцию дефосфорации металла известковым шлаком в ионной и молекулярной форме.

15. Какие условия необходимо создать для обеспечения полноты дефосфорации металла?

16. Что тормозит процесс дефосфорации: массоперенос в металле и в шлаке или стадии химического взаимодействия?

17. Объясните сущность метода удаления фосфора при продувке металла кислородом с добавкой порошкообразных шлакообразующих материалов.

18. Возможно ли удаление фосфора в восстановительных условиях?

19. Как осуществляется дефосфорация чугуна?