13. Окислення вуглецю в електропечі, механізм і умова видалення бульбашок со.

Окислення вуглецю є складним процесом, навіть у спрощеному вигляді складається з трьох стадій:

• доставка кисню в металеву ванну;

• власне реакція окислення;

• видалення продуктів.

З урахуванням конвективних потоків процесу виділяють 6 стадій. Кисень переходить в метал тому, що його концентрація там нижче рівноважної. Існують емпіричні і напівемпіричні рівняння, діаграми, що визначають перехід (О) в [O] залежно від складу шлаку (основність % (FеO) і його активність)), температури, вуглецю [C] і т.д. По С.Т.Ростовцеву розчинність кисню в залізі % [O] максимальна при 1600ºC близько 0,23% і визначається лише температурою.

За будь-якого способу введення кисню в розплав Ме зростання його концентрації сповільнене, тобто процес зрештою зводиться до міжфазної взаємодії «Ш – Ме»

Відповідно до правила хімічної спорідненості розчинений кисень реагує з вуглецем:

[O]+[C]=[CO]={CO} (1)

обидві стадії оборотні, тому процес йде вправо при досить високих значеннях [C] а, особливо [O] – переокислення, необхідно для глибокого зневуглецювання. Чисельна характеристика рівноваги (1) встановлена емпірично:

тобто виражається при (Р_СО=const) гіперболічною залежністю, що добре підтверджується дослідними даними, які свідчать, що при вмісті вуглецю до 1%, вміст кисню тим нижче, чим більший відсоток вуглецю міститься в металі. Фактичний вміст кисню в Ме декілька вище рівноважного, що пов'язане з:

• кінетичною сповільненістю процесу;

• значними витратами енергії на три стадії процесу – зародження і видалення бульбашок СО:

Р_СО=Р_атм+Р_Ме+Р_Ш+Р_капіл.

Р_СО=Р_атм+γ_Fe h_Fe+γ_ш.h_ш+2σ/r, де

γщільність, г/см³

h - висота стовпа, см

σ – поверхневий натяг металу, дин/см

r - радіус бульбашки, см

звідси видно, що виділення газу в самостійну фазу вимагає подолання великого тиску. По-друге, що в гомогенному середовищі зародження бульбашки практично неможливе, оскільки наприклад, для r=1 мкм (10^-6 см) член 2σ/r стає набагато більше суми всіх інших, а при r→0, Р_капіл.→∞. Тому зародження нової фази відбувається за фазовими кордонами «Ш – Ме» та «Ме – футерування».

Проте при діаметрі бульбашок >1 мм надлишковий тиск, який визначається останнім членом рівняння, стає настільки малим (0,03 ат.), що ним можна знехтувати. За цими міркуваннями чисельні значення

[C]·[O]=0,0025

логічно знизити, вдавшись до продування сталевої ванни інертним газом. Цей прийом використовують зокрема при зневуглецюванні високохромистих сплавів (при виплавці неіржавіючих і жароміцних сталей переплавкою відходів). Процес протікає інтенсивніше при підвищенні температури.

14. Дефосфорація металу в окислювальний період (п'ять основних умов видалення фосфору)

Фосфідні евтектики, що виділяються на межах зерен легкоплавкі, окрихчують сталь, знижують в'язкість і збільшують холодноламкість. Ці недоліки шкідливі для всіх марок сталі, окрім автоматних. Тому межа вмісту [P] обмежується 0,05%, а в деяких випадках – (0,008 – 0,015%).

Фосфор, будучи поверхнево-активним елементом, реагує на поверхні розділу шлак-метал з окислом заліза у присутності СаО за реакцією:

2[P] +5(FеO)+4(CаO) = (CaO₄)_·P₂O₅+5Fe (1)

з утворенням тетракальцієвого фосфату, який є стійким з'єднанням для даної системи.

Реакція окислення оборотна. Константа окислення виглядає таким чином:

К_Р = . (2)

Сильне зниження значення активності, тобто інтенсивна дефосфорація, як видно по рівнянню (2), забезпечується п'ятим ступенем а_(FеO) і четвертим а_(СаО). Отже, висока концентрація цих компонентів в шлаку є неодмінною умовою дефосфорації.

Проте у зв'язку з тим, що радіус іона Fe²⁺ значно менше радіусу РО₄³–, ці іони не можуть дати стійкої і міцної структурної конфігурації. В зв'язку з цим співвідношення (СаО)/(FеO) має бути оптимальним, близько 4,5-5,0, і це тим помітніше, чим вище основність (В).

Зниження окислювального потенціалу шлаку або відновний характер атмосфери наводять до ревідновлення фосфору, тому шлак окислювального періоду плавки в більшості випадків (окрім плавки на чистій шихті або власних відходах) видаляють, викачують, і наводять інший, на якому ведуть відновний період.

Оскільки рівновага реакції окислювальної дефосфорації сильно зміщується вліво при підвищенні температури, її підтримують у строгому режимі (необхідного мінімуму).

Підводячи підсумок, відзначаємо, що для успішної дефосфорації металу необхідно виконати наступні умови:

- високий ступінь окисленості шлаку – вміст (FeO)_ш 10-20% і більш;

- висока основність шлаку В=СаО/ SiO₂ =3-3,5 (додаємо вапно);

- оптимальне співвідношення (CаO)/(FеO)=4,5-5,0;

- невисока температура;

- для запобігання відновленню фосфору необхідно шлак викачувати;