3.2. 4 Реакції окислювання

У процесі продувки подаваний у конвертер кисень окислює надлишковий вуглець, а також кремній, більшу частину марганцю й деяку кількість заліза. Окислювання домішок рідкого металу - вуглецю, кремнію й марганцю, можна представити наступними результуючими реакціями:

[С] + 1/2O₂ = CO , (3.4)

[Si] + O₂ = (SiО₂), (3.5)

[Mn] + 1/2O₂ = (MnО) (3.6)

Рисунок 3.5 - Зміна складу металу й шлаку по ходу продувки киснем зверху (Мn ^/ і МnО^/ - значення, характерні для переділу маломарганцевистого чавуну) _пр - тривалість продувки

Однак у результаті безпосередньої взаємодії з газоподібним киснем окисляється лише незначна частина домішок. Окислювання більшої частини домішок протікає за двостадійною схемою: спочатку в підфурменій зоні в наслідок контакту кисневого струменя з металом окисляється залізо: Fe + 1/2O₂ = FeО (його окислювання пояснюється тим, що концентрація заліза в кілька десятків разів вище концентрації інших елементів, тому із киснем, що вдувається, насамперед контактують атоми заліза); FeО, що утвориться, розчиняється частково в металі: FeО → [О] + Fe і частково в шлаці: FeО → (FeО). Потім протікає друга стадія - окислювання вуглецю, кремнію, марганцю, киснем, розчиненим у металі [О] і шлаку (FeО). Відповідно окислювання, наприклад, вуглецю йде по наступних схемах:

а) Fe+l/2О₂=(FeО); [С] + (FeО) ==CO+Fe; (3.7)

б) Fe+l/2О₂= [О]+Fe; [C]+[О]=CO. (3.8)

Таким чином, для продувки в конвертері характерно пряме окислювання заліза в зоні контакту кисневого струменя з металом (в «первинній підфурменій зоні») і окислювання інших складових металу в результаті вторинних реакцій на межі з первинною реакційною зоною й в решті ванни.

Окислення кремнію й марганцю так само, як і вуглецю, починається з моменту подачі кисню (рис. 3.5), причому весь кремній і більша частина марганцю окислюються в перші хвилини продувки. Більш швидке їхнє окислювання в порівнянні з вуглецем пояснюється тим, що при порівняно низьких температурах на початку продувки (1300 - 1450 °С) кремній і марганець мають більшу хімічну спорідненість до кисню, ніж вуглець.

Окислення кремнію закінчується в перші 3 - 5 хв. продувки й надалі по ходу плавки рідкий метал практично кремнію не містить. Реакція окислювання кремнію протікає до його повної витрати і є незворотньою, оскільки продукт окислювання SiО₂ (кислотний оксид) зв'язується в основному конвертерному шлаку в міцне з'єднання 2СаО ^. SiО₂.

Интенсивне окислювання марганцю спостерігається на початку продувки, коли при низьких температурах він має велику хімічна спорідненість до кисню; до 3 - 5 хв. продувки окислюється ~ 70 % марганцю, що міститься в чавуні. Надалі поводження марганцю визначається рівновагою екзотермічної реакції:

[Mn] + (FeО) = (MnО) + Fe + 123360 Дж/ моль (3.9)

_{пр ,%}

Рисунок 3.6 - Зміна швидкості окислювання вуглецю V_с по ходу продувки _пр

Відповідно до цієї реакції відмічаються (див. рис. 3.5) наступні особливості поводження марганцю: при зменшенні вмісту FeО у шлаку в другій половині продувки вміст марганцю в металі зростає, тобто марганець відновлюється зі шлаку; наприкінці продувки, коли внаслідок підсиленого окислювання заліза вміст оксидів заліза в шлаку зростає, спостерігається вторинне окислювання марганцю. Кінцевий вміст марганцю в металі залежить насамперед від його вмісту в чавуні й зростає при підвищенні температури металу наприкінці продувки й зниженні окисленості шлаку (він перебуває в межах від 0,3 - 0,35 до 0,03 - 0,05%; нижня межа - при переробці маломарганцевистих чавунів).

Окислення вуглецю. Вуглець у кисневому конвертері окисляється переважно до СО; до СО₂ окисляється ~ 10 % вуглецю, що міститься в чавуні. Швидкість окислювання вуглецю по ходу продувки (рис. 3.6) істотно змінюється. На початку продувки вона невелика (0,1 - 0,15% С / хв), оскільки частина кисню, що вдувається, витрачається на окислювання кремнію й марганцю, які мають високу хімічну спорідненість до кисню при низьких температурах. Надалі, внаслідок збільшення хімічної спорідненості вуглецю до кисню при підвищенні температури й зменшенні витрати кисню на окислювання марганцю й кремнію швидкість окислення вуглецю зростає й потім залишається протягом тривалого часу майже постійною. У цей період весь кисень, що вдувається, витрачається на окислювання вуглецю й швидкість окислення вуглецю (0,45 - 0,5 %С / хв і іноді більше) визначається інтенсивністю подачі кисню. Наприкінці продувки швидкість окислення вуглецю знову знижується внаслідок зменшення вмісту вуглецю в металі.

По ходу продувки найчастіше відбуваються пульсації швидкості окислювання вуглецю (короткочасні підйоми й спади щодо середнього значення). Ці пульсації значні на плавках з холодним початком процесу й підвищенням при цьому окисленості шлаку. Сильні пульсації швидкості окислювання вуглецю звичайно викликають викиди металу й шлаку з конвертера.

Роль реакції окислення вуглецю в киснево-конвертерній плавці значна. Це пояснюється наступним:

- окислення вуглецю дає більшу частину тепла для нагрівання ванни;

- тривалість окислення вуглецю визначає тривалість продувки;

- пузирі СО, що виділяються, забезпечують перемішування ванни, завдяки чому вирівнюється склад і температура, прискорюється нагрівання металу;

- внаслідок перемішування металу й шлаку прискорюється дефосфорація і десульфурація та ін.;

- с пузирями СО віддаляються розчинені в металі шкідливі гази - водень і азот;

- пузирі СО спінюють ванну, завдяки чому можуть виникати викиди.