Лекции ТМП / Лекция_3

3 РЕАКЦИЯ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА И ЕЕ РОЛЬ В ОРГАНИЗАЦИИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

3.1 Особенности кинетики металлургических реакций

При отсутствии кинетических ограничений, связанных с массопереносом взаимодействующих веществ, влияние температуры на скорость химической реакции описывается уравнением

где vt и vo - скорости реакции при температурах t и to соответственно;

γ – кинетический коэффициент, величина которого для разных типов реакций обычно составляет 2 – 4.

Из уравнения (3.1) можно видеть, что скорость химического взаимодей-

ствия между частицами может ограничивать общую скорость химической ре-

акции только при сравнительно низких температурах. При повышении темпе-

ратуры скорость химической реакции увеличивается быстрее, чем скорость массоопереноса участвующих в ней веществ. При высоких температурах, кото-

рые характерны для большинства металлургических процессов, кинетические ограничения исчезают и реакции, как правило, протекают в диффузионной об-

ласти. Это означает, лимитирующими звеньями реакций являются процессы доставки взаимодействующих веществ к месту протекания реакции, отвода продуктов реакции из зоны взаимодействия, переноса взаимодействующих ве-

ществ через поверхности раздела фаз и т.д.

3.2 Значение реакции окисления углерода в сталеплавильных процессах

В спокойной жидкости выравнивание температуры и химического соста-

ва происходит путем теплопередачи и молекулярной диффузии, скорость кото-

рой согласно закону Фика определяется из выражения

где C – объемная концентрация вещества;

D – коэффициент молекулярной диффузии;

S – площадь поверхности, через которую осуществляется массопере-

нос вещества.

Коэффициент диффузии вещества в жидкости зависит от температуры,

вязкости жидкости, а также от размера диффундирующих частиц. В таблице 3.1

приведены данные о величине коэффициентов диффузии некоторых химиче-

ских элементов в жидком железе.

Таблица 3.1 – Значения коэффициентов диффузии веществ в жидком железе

Ввиду малых значений коэффициентов молекулярной диффузии в спо-

койном не перемешиваемом металле массоперенос вещества даже при высоких температурах сталеплавильных процессов протекает очень медленно. Поэтому большинство сталеплавильных процессов может быть реализовано за техноло-

гически приемлемый промежуток времени только при проведении мероприя-

тий, направленных на увеличение скорости тепло- и массообменных процессов.

Поэтому при выплавке стали в кислородных конвертерах, мартеновских и дуговых электросталеплавильных печах вместе с металлической шихтой в ван-

ну сталеплавильного агрегата обычно вводят избыточное количество углерода,

который затем по ходу плавки непрерывно окисляют.

Окисление углерода сопровождается образованием большого коли-

чества газообразных продуктов реакции CO и CO2 , объем которых во много раз превышает объема металла (окисление 1 кг углерода при 1500оС сопровож-

дается образованием более 10 м3 CO ). Удаляясь из ванны в виде пузырей, этот

3

газ обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, увеличивая скорости тепло- и массообменных процессов на несколько порядков, что по-

зволяет закончить плавку за технологически приемлемое время.

3.2Тепловые эффекты реакций окисления углерода и их влияние на организацию сталеплавильных процессов

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что реакция

является слабой экзотермической реакцией. Так, например, согласно данным В.И. Явойского стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (3.3)

можно рассчитать из уравнения

необходимо просуммировать тепловые эффекты реакции растворения газооб-

разного кислорода в железе и реакции (3.3)

При суммировании тепловых эффектов реакции (3.3) и сильной экзотер-

мической реакции растворения кислорода в жидком железе результирующая реакция (3.5) получается сильной экзотермической реакцией. При протекании ее с высокими скоростями, например, в кислородных конвертерах выделение большого количества тепла в течении короткого промежутка времени позволя-

4

ет компенсировать тепловые потери агрегата и нагреть металл до температуры выпуска без использования какого-либо топлива.

Если источником кислорода является твердый окислитель, тепловой эф-

фект реакции

можно получить суммированием тепловых эффектов реакции (3.5) и реакции диссоциации Fe2O3 на металл и газообразный кислород

Из приведенных данных видно, что реакция (3.6) является сильной эндо-

термической реакцией. Поэтому обезуглероживание расплава с использованием твердых окислителей возможно только при наличии в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата источника тепла, при помощи которого можно ком-

пенсировать потери тепла при протекании реакции окисления углерода.