Анализ современных металлургических технологий получения качественной стали. Лабораторный практикум

Лабораторная работа 2

Окисление углерода на установке вакуумирования с учетом одновременного образования СО и СО2

Цель работы. Изучить изменение состава газовой фазы (CO и CO2), выделяющейся при обезуглероживании в вакууме по ходу продувки кислородом, а также зависимость выхода годного от концентрации углерода при заданном остаточном давлении.

2.1 Теоретическое введение

Окисление углерода является важнейшей реакцией, протекающей в вакууматорах. Состав газа может служить индикатором степени обезуглероживания расплава непосредственно в ходе плавки. Известно, что по мере снижения концентрации углерода содержание СО2 в газе увеличивается. Представляет интерес изучить количественное изменение состава газа по ходу глубокого обезуглероживания. Это позволит более точно контролировать этот важнейший металлургический процесс. Рассмотрим идею такого расчета на следующем примере.

Из реакции

Для приближенной оценки [О] воспользуемся соотношением

(2.2), приняв Т = 1873 К, fC fO = 1, pCO = p (pCO2 = 0) и учитывая, что при р = 1 атм произведение [С][О] = 1/kCO = 0,002, получаем

11

Чтобы найти DGº для реакции окисления [С] с образованием

СO2, воспользуемся термодинамическими данными о следующей совокупности реакций:

Правые части уравнений (2.5) и (2.9) можно приравнять, поскольку они равны порознь одной и той же величине. После преобразования получим

lg(pCO / pCO1/22 ) = -(3589/T ) + 3,279 + 12 lg[С] - 0,00036(p/[C]).(2.10)

Из выражения (2.10) можно определить значение lg(pCO /pCO1/22)

для любых заданных [С], T и р. Далее, учитывая, что pCO + pCO2 = p и рeшaя соответствующее квадратное уравнение, можно определить

12

pCO и pCO2, а также искомое содержание СО2 в газовой фазе: {% СО2 } =

= (pCO2 /p)100.

Чтобы найти равновесное содержание кислорода в металле, можно воспользоваться соотношением (2.5) или (2.9).

Поправку, вносимую учетом СО2, определим, сравнив полученные данные с результатами расчетов по уравнению (2.5) при

pCO = p.

( pCO1/22 )2 + 5,071( pCO1/22 ) - 1 = 0.

Решив квадратное уравнение, найдем

pCO1/22 =(−5,071 ±5,0712 −4 1 ( −1))(2 1).

Имеет смысл только один корень pCO1/22 = 0,19. Таким образом, pCO2 = 0,036, { % СО2} = 3,6.

Подставив значение pCO2 в выражение (2.9), получим

lg [О] = - 12 [(9600/1873) - 2,464] + 12 (-1,4437) - 12 (-1,301) + + 0,00074(1/0,05) = -1,3873; [O] = 0,041 %.

Результаты аналогичных расчетов для других условий приведены в таблице 2.1.

Как видно из данных табл. 2.1, доля СО2 в продуктах окисления углерода при малых [С] может быть существенной. Отметим, что доля

СО2 уменьшается при увеличении [С] и снижении общего давления

(pCO +pCO2).

13

Таблица 2.1 – Расчет состава газовой фазы, выделяющейся при обезуглероживании в вакууме по ходу продувки кислородом

Примечание. Прочерки означают невозможность достижения указанных очень малых значений [С] в заданных условиях. Расчетное значение равновесного [О] для этих условий превышает предел растворимости (0,23 % при 1873 К).

Определение состава газа, выделяющегося в процессе обезуглероживания, можно рассчитать также при использовании компьютерной программы «ГИББС-МИСиС», в основе которой лежит совместное решение системы уравнений типа

lg KCO2 = lg[pCO2 /(fC [C] fO2 [О]2)] = (9600/T ) – 2,464.

pCO + pCO2 = p.

Описание основ модели компьютерной программы «ГИББС» приводится в приложении А.

2.2 Порядок проведения работы

1  Ознакомиться с описанием системы имитационного моделирования «ГИББС».

2  Ввести массу металла – 100 000 кг. Расчет провести для двух температур 1600 и 1650 ○С. Для плавки в вакууме давление принять согласно варианту задания.

3  Состав металла: [С]нач = 0,07 %; [O]нач = 0,03 %; остальное -

железо.

4  Начать подавать кислород порциями примерно по 25 кг. Подача осуществляется до тех пор, пока концентрация углерода не опустится до уровня 0,001 % и ниже.

5  После каждой подачи кислорода необходимо записывать результаты расчета – содержание СО и СО2 в газовой фазе, а также

14

массу оставшегося железа в металле, чтобы определить выход годного, для расчета которого необходимо разделить текущую массу металла на начальную массу металла.

6  Построить график зависимости состава газовой фазы (% СО и % СО2) от содержания углерода в металле. Построить график зависимости выхода годного от концентрации углерода.

7  Сделать выводы об уровне содержания СО2 в газовой фазе в зависимости от концентрации углерода в металле, а также о зависимости выхода годного от содержания углерода при заданном остаточном давлении.

2.3 Требования к оформлению отчета

См. лабораторную работу 1, подпункт 1.3.

2.4 Варианты заданий

15

Контрольные вопросы

1  Какая из реакций – образования СО или СО2 - обладает большим тепловым эффектом?

2  Как должна измениться концентрация кислорода, равновесная с углеродом, при понижении температуры?

3  Как будет меняться содержание СО2 в газовой фазе при понижении давления, например при переходе от открытой плавки к вакуумной?

4  Как будет меняться содержание СО2 в газовой фазе при понижении температуры, которое наблюдается в ходе вакуумирования?

5  Как меняется выход годного жидкого металла при снижении концентрации углерода и понижении остаточного давления в вакуумной камере?

16

Лабораторная работа 3

Влияние перегрева металла на содержание фосфора в полупродукте

для внепечной обработки

Цель работы. Изучить влияние перегрева металла на содержание фосфора в полупродукте.

3.1 Теоретическое введение

Рафинирование стали от фосфора обычно осуществляют путем его окисления (например, по нижеприведенной реакции и перевода образующегося оксида фосфора в шлак):

В результате обработки большого массива экспериментальных данных по распределению фосфора между металлом и шлаком получено уравнение зависимости константы равновесия реакции (3.1) от температуры:

Обычно уравнение дефосфорации записывают с участием CaO в шлаке. В рассматриваемом случае содержание CaO влияет на величину gPO2,5. Из уравнения (3.2) следует, что полнота дефосфорации повышается при понижении температуры, увеличении окисленности (a[O]) системы металл–шлак и снижении активности продукта реакции – (РO2,5) в шлаке. Снижение a(PO ) достигается введением СаО. Если активность кислорода в металле2,5 определяется оксидом железа в шлаке, то согласно данным [3]:

реакцию окисления фосфора удобно записать в виде суммарной реакции

17

где 31 - атомная масса фосфора; Sn - сумма молей компонентов шлака в 100 г.

Подставим формулу (3.8) в уравнение (3.6), после преобразований получим выражение для коэффициента распределения фосфора между металлом и шлаком:

Значения gFeO и gPO2,5 вычислим по теории регулярных ионных растворов, используя соответствующие формулы В.А. Кожеурова:

где хMn , хSi , хCa , хMg , хP - ионные доли соответствующих кати-

онов в шлаке (xMn = nMn2+ /Σni+) .

Зная L, можно найти конечную концентрацию фосфора в

где тм и mш - масса металла и шлака; [Р]н и (Р)н - начальные концентрации фосфора в металле и шлаке.

Выражение (3.13) является уравнением материального баланса, составленным при условии, что фосфор перераспределяется между металлом и шлаком и не выделяется в газовую фазу. Если при плавке величины mм и mш не изменяются, то, решив систему уравнений (3.12) и (3.13), получим

18

т.е. степень дефосфорации прямо пропорциональна начальному отклонению системы металл–шлак от равновесия (Lк - Lн). Зависимость h от Lк и l характеризуется кривой с насыщением. Причем, если Lн ≠ 0, то даже при l → ∞ величина h стремится не к 100 %, а к 100·(1 - Lн/Lк) %. Это свидетельствует, в частности, о необходимости использования чистых по фосфору шлакообразующих материалов, особенно при глубокой дефосфорации.

3.2 Порядок проведения работы

1  Ознакомиться с описанием системы имитационного моделирования «ГИББС».

2  Задать в системе химический состав и массу металла и шлака согласно варианту индивидуального задания (номер варианта соответствует номеру в списке журнала учета занятий).

3  Варьируя температуру, получить расчетное равновесное содержание фосфора в металле. Состав шлака принять самостоятельно, опираясь на содержание (FeO) и основность шлака. При необходимости использовать справочные данные и материалы лекций, учесть, что сумма концентраций компонентов шлака равна

100 %.

4  Построить графики зависимостей концентрации фосфора в металле и шлаке от температуры.

5  Проанализировать полученные расчетные данные, сделать выводы о причинно-следственной связи рассматриваемых явлений.

19

3.3 Требования к оформлению отчета

См. лабораторную работу 1, подпункт 1.3.

3.4 Варианты заданий

Контрольные вопросы

1  Напишите реакцию дефосфорации металла.

2  Как влияет степень окисленности расплава на уровень дефосфорации?

3  Как связана основность шлака и полнота дефосфорации? 4  Как влияет температурный режим на процесс дефосфорации? 5  Как влияет кратность шлака на степень дефосфорации?

20