MS / Лекция_4

35

4 ОКИСЛЕНИЕ УГЛЕРОДА В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССАХ

4.1 Значение реакции окисления углерода в сталеплавильных процессах

При повышении температуры скорости химического взаимодействия уве-

личиваются быстрее, чем скорость массоопереноса участвующих в реакции веществ. Поэтому при температурах сталеплавильных 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.

В таблице 4.1 приведены данные о величине коэффициентов диффузии некоторых химических элементов в жидком железе.

Таблица 4.1 – 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 протекает очень медленно. Поэтому большинство сталеплавиль-

ных процессов может быть реализовано за технологически приемлемый про-

межуток времени только при проведении мероприятий, направленных на уве-

личение скорости тепло- и массообменных процессов.

С этой целью при выплавке стали в кислородных конвертерах, мартенов-

ских и дуговых электросталеплавильных печах вместе с металлической шихтой в ванну сталеплавильного агрегата обычно вводят избыточное количество угле-

рода, который затем по ходу плавки непрерывно окисляют.

36

Окисление углерода сопровождается образованием большого количества газообразных продуктов реакции (окисление 1 кг углерода при 1500оС сопро-

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

этот газ обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, увеличи-

вая скорости тепло- и массообменных процессов на несколько порядков, что позволяет закончить плавку за технологически приемлемое время.

4.2Общая термодинамическая характеристика реакции окисления углерода

Обладая переменной валентностью, углерод при взаимодействии с рас-

творенным в металле кислородом может образовать два оксида по реакциям

В таблице 4.2 представлены результаты исследования состава газа, выде-

ляющегося из металла при отсутствии шлака на его поверхности в условиях,

когда концентрации углерода и кислорода близки к равновесным.

Таблица 4.2 – Содержание CO2 в продуктах реакции окисления углерода

Из таблицы видно, что значительное количество CO2 в выделяющемся из металла газе наблюдается только при концентрациях углерода менее 0,05%.

При более высоком содержании углерода наличием CO2 в продуктах реакций с

достаточной для практических целей точностью можно пренебречь и считать,

что обезуглероживание металла протекает только по реакции (4.1).

37

Стандартное значение изменения энергии Гиббса и константа равновесия

реакции (4.1) могут быть рассчитаны по уравнениям

Конвертеры, мартеновские и электросталеплавильные печи относятся к

открытым сталеплавильным агрегатам, в давление в рабочем пространстве ко-

Последнее уравнение может быть использовано для определения равновесных соотношений между концентрациями углерода и кислорода в жидком железе при содержании углерода от 0,05 до 1,2 – 1,5%.

4.3Минимальное остаточное содержание углерода при плавке в открытых сталеплавильных агрегатах

В реальных сталеплавильных процессах содержание оксидов железа в шлаке в конце плавки обычно не превышает 40 – 50%. Содержание кислорода в железе в равновесии с таким шлаком не превышает 0,10 – 0,12%. Из уравнения

(4.7) получим

[C]min = 0,0025/ 0,12 = 0,02 % .

Это значение обычно рассматривается как минимальное содержание углерода,

которое может быть получено при плавке в открытых сталеплавильных агрега-

тах.

38

4.4 Тепловые эффекты реакций окисления углерода

Вслучае, когда необходимый для обезуглероживания кислород поступает

вметалл из газовой фазы, для определения теплового эффекта реакции

необходимо просуммировать тепловые эффекты реакции растворения газооб-

разного кислорода в железе и реакции (4.1)

При суммировании тепловых эффектов реакции (4.1) и сильной экзотер-

мической реакции растворения кислорода в жидком железе результирующая реакция (4.8) получается сильной экзотермической реакцией. Поэтому при вы-

сокой интенсивности продувки металла кислородом в конвертерах и двухван-

ных мартеновских печах выделение большого количества тепла в течении ко-

роткого промежутка времени позволяет компенсировать тепловые потери агре-

гата, расплавить некоторое количество металлического лома и нагреть металл до температуры выпуска без использования какого-либо топлива.

Если источником кислорода является твердый окислитель, для определе-

ния теплового эффекта реакции

необходимо просуммировать тепловые эффекты реакции (4.8) и реакции диссо-

циации Fe2O3 с образованием железа и газообразного кислорода

Из приведенных данных видно, что реакция (4.9) является сильной эндо-

термической реакцией. Поэтому обезуглероживание расплава с использованием твердых окислителей возможно только при наличии в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата источника тепла (факел, электрическая дуга и др.),

при помощи которого можно компенсировать потери тепла при протекании ре-

акции.

4.5 Скорость окисления углерода в сталеплавильных процессах

При продувке металла в кислородном конвертере в периодах плавки, ко-

гда вдуваемый в ванну кислород расходуется главным образом на окисление углерода, скорость обезуглероживания металла можно оценить из уравнения

где vC – скорость окисления углерода, %/мин;

iO2 – интенсивность продувки, м3/(т·мин).

Из последней формулы следует, что вдувание в ванну кислорода в количестве 1

м3/т сопровождается окислением приблизительно 0,1% углерода.

В настоящее время интенсивность продувки металла в кислородных кон-

вертерах находится в пределах 2 – 5 м3/(т·мин). При этом в середине продувки,

когда вдуваемый в ванну кислород расходуется преимущественно на обезугле-

роживание металла, скорости окисления углерода могут достигать 0,2 –0,5 %/мин.

40

Интенсивность продувки металла кислородом в мартеновских печах обычной конструкции, а также дуговых электросталеплавильных печах намно-

го ниже, что обусловлено конструктивными особенностями этих агрегатов. В

этих агрегатах скорость обезуглероживания металла при продувке ванны ки-

слородом обычно составляет 0,025 – 0,04 %/мин.

При использовании твердых окислителей при сохранении достаточного перегрева металла над температурой плавления подача железной руды в коли-

честве 1% от массы металла сопровождается окислением 0,16% углерода. При этом следует помнить, что окисление углерода кислородом твердых окислите-

лей является сильной эндотермической реакцией. Поэтому скорость обезугле-

роживания металла обычно определяется эффективностью тепловой работы сталеплавильного агрегата. В современных крупных мартеновских печах ско-

рость обезуглероживания металла обычно не превышает 0,02 %/мин, составляя в периоде плавления в среднем 0,01 – 0,015 %/мин. В периоде рудного кипения средняя скорость окисления углерода уменьшается до 0,005 – 0,008 %/мин.

При окислении углерода за счет поступления кислорода из газовой фазы сталеплавильного агрегата скорость окисления углерода обычно составляет

0,004 – 0,006 %/мин.