TOMP / Лекция_1

При высоких парциальных давлениях кислорода на поверхности жидкого железа появляется оксидная пленка. В этих условиях концентрация кислорода в металле определяется условиями протекания реакции (1.16) и зависит только от температуры. Константа равновесия реакции (1.16) может быть записана в виде

a(FeO)

Если величина коэффициента активности растворенного в железе кислорода близка к единице, в условиях равновесия с чистым оксидом выражение (1.23) может быть приведено к виду

где [O]max – концентрация кислорода в металле в равновесии со шлаком из чистого FeO, %.

Результаты экспериментального исследования влияния температуры на растворимость кислорода в железе в равновесии со шлаком из чистого FeO по- казаны на рисунке 1.4. Анализируя эти данные, следует обратить внимание на то, что с ростом температуры предел растворимости кислорода в металле быст- ро увеличивается. Это свидетельствует о том, что растворение кислорода в ме- талле из оксида железа в шлаке является сильной эндотермической реакцией.

Обработка результатов экспериментальных исследований показывает, что они могут быть описаны зависимостью

Из уравнения (1.25) выражение для определения стандартного значения изме- нения энергии Гиббса реакции (1.16) может быть получено в виде

Если в качестве коэффициента распределения кислорода между металлом и шлаком принять отношение активности FeO в шлаке к концентрации раство- ренного в металле кислорода, численное значение его может быть получено из уравнения

Расчеты по уравнению (1.27) показывают, что при температурах заключитель- ного периода плавки в сталеплавильных агрегатах значения коэффициента рас- пределения кислорода между шлаком и металлом обычно составляют 4 – 5.

1.6 Изменение окисленности металла и шлака по ходу плавки

При выплавке стали в расплаве обычно присутствуют примеси, которые обладают более высоким химическим сродством к растворенному в металле кислороду, чем железо. Именно эти примеси ограничивают концентрацию ки- слорода в металле по ходу плавки.

Окисление основного количество кремния, марганца и других обладаю- щих наиболее высокой активностью по отношению к кислороду примесей ме- талла обычно завершается в начальном периоде плавки. После этого вплоть до начала раскисления металла наиболее активной по отношению к кислороду примесью сталеплавильной ванны остается углерод. В этих условиях для оцен- ки средних значений фактического содержания кислорода в стали во время окислительного рафинирования с достаточной точностью можно использовать следующие эмпирические соотношения:

при концентрации углерода в металле более 0,1%

при концентрации углерода в металле 0,02 – 0,1%

Результаты расчетов согласно уравнениям (1.18) и (1.19) приведены на рисунке 1.5. По ходу плавки кислород поступает в металл из оксидов железа в шлаке и расходуется на окисление растворенного в металле углерода. В связи с этим в широком интервале концентраций углерода фактическое содержание кислорода в расплаве несколько выше равновесного с растворенным в металле углеродом, но более чем в 2 раза ниже равновесного со шлаком. Исключением

из этого правила является область расплавов с содержанием углерода менее 0,04%. В этих условиях равновесные с растворенным в металле углеродом кон- центрации кислорода в стали становятся выше растворимости его в равновесии с реальными сталеплавильными шлаками. Поэтому в этой области содержание кислорода в металле определяется протеканием реакции (1.16).

Из рисунка 1.5 видно также, что при высоких концентрациях углерода окисленность металла меняется в узких пределах. Быстрое увеличение концен- трации растворенного в металле кислорода происходит при содержании угле- рода в менее 0,2%.

Сведения о содержании оксидов железа в шлаке при окислительном ра- финировании приведены на рисунке 1.6. На протяжении большей части общей продолжительности плавки фактическое содержание оксидов железа в шлаке несколько выше равновесного с металлом, но значительно ниже равновесного с кислородом газовой фазы сталеплавильного агрегата. При высоких концентра- циях растворенного в металле углерода окисленность шлака изменяется в узких пределах. При [C] < 0,1% содержание оксидов железа в шлаке начинает быст-

ро увеличиваться и при [C] < 0,05% приближается к равновесию с газовой фа-

зой.

Из рисунков 1.5 и 1.6 видно, что в сталеплавильных агрегатах фактиче- ское содержание кислорода в металле ниже равновесного с оксидами железа шлака. В свою очередь, содержание оксидов железа в сталеплавильных шлаках ниже равновесного с кислородом газовой фазы агрегата. Это означает, что хи- мический потенциал кислорода в газовой фазе выше, чем в шлаке, а в шлаке больше, чем в металле. Поэтому процесс плавки в любом сталеплавильном аг- регате неизбежно сопровождается передачей кислорода из газовой фазы в ме- талл.

1.7. Баланс железа в сталеплавильных процессах

Эффективность использования железа в сталеплавильных процессах обычно принято характеризовать такими показателями, как расход металличе- ской шихты на выплавку 1 т стали и выход годной стали.

Под расходом металлической шихты ( ηмш) обычно понимают сумму расходов чугуна ( Gч , т) и металлического лома ( Gл, т), отнесенную к массе го-

Средний расход металлической шихты на выплавку 1 т стали обычно составля-

ет 1100 – 1130 кг/т.

Под выходом годной стали ( g гс) обычно понимают отношение массы го-

товой стали к массе всех израсходованных металлических материалов – чугуна, металлического лома, ферросплавов ( GFeE , т) и железа твердых окислителей

( Gто, т).

В современных сталеплавильных процессах выход годной стали обычно со- ставляет 88 – 92%.

Возможность сокращения потерь железа при выплавке стали обычно оценивают путем составления баланса железа. Наиболее распространенным и удобным является составление такого баланса для 100 кг металлической ших- ты.

Основными статьями приходной части баланса железа являются: железо металлической шихты (чугуна и лома); железо твердых окислителей; железо флюсов; железо ферросплавов.

Приход железа с металлической шихтой определяется количеством чугуна и лома в шихте, а также их химическим составом. Приняв суммарный

расход чугуна и металлического лома за 100%, эту зависимость можно предста- вить графически (рисунок 1.7). В общем случае, чем больше количество чугуна в металлической шихте, тем меньше приход железа с ней. В мартеновском скрап-процессе приход железа с металлической шихтой составляет в среднем 97,5%, в скрап-рудном мартеновском процессе – 95,5%, в кислородно- конвертерном процессе – 94,5%.

Приход железа с твердыми окислителями зависит от расхода их на плавку и содержания в твердых окислителях железа. Содержание железа в при- меняемой с этой целью железной руде обычно составляет 55 – 65%.

Минимальный расход твердых окислителей наблюдается при выплавке стали с продувкой ванны кислородом в конвертерах, мартеновских и двухван- ных печах. В этом случае расход твердых окислителей не превышает 0,5 – 1,0% от массы металлической шихты, а количество вносимого ими железа – 0,3 – 0,5% (рисунок 1.8). Максимальный расход твердых окислителей наблюдается в скрап-рудном мартеновском процессе, который проводят с высоким расходом чугуна без продувки ванны кислородом. При этом расход железной руды может достигать 15 – 20%, а количество вносимого ими железа – 8 – 12%.

Приход железа с флюсами обычно не значителен. Его учет имеет про- мышленное значение только при использовании боксита, содержание железа в котором может достигать 20 – 40%. Расход боксита на плавку обычно не пре- вышает 1 – 3%, а количество вносимого им железа – 0,3 – 1%.

Приход железа с ферросплавами зависит от их расхода и содержания в них железа, которое может изменяться в пределах 25 – 55%.

Минимальный расход ферросплавов (0,5 – 1,5%) наблюдается при вы- плавке углеродистой стали, при выплавке низко- и среднелегированной стали он может достигать 3 – 10%. При этом в составе ферросплавов вносится соот- ветственно 0,2 – 0,8% и 1 – 5% железа.

Основными статьями расходной части баланса железа являются: железо готовой стали; железо шлака в виде корольков; железо шлака в виде оксидов; железо, уносимое отходящими газами.

Количество железа в готовой стали зависит от выхода ее и содержания в металле примесей. Выход жидкой стали в мартеновском процессе без продув- ки ванны кислородом обычно составляет 98 – 103%, в кислородных процессах –

88 – 92%.

Содержание примесей в углеродистой стали обычно составляет 1 – 2%, в легированной стали – 3 – 10%. Поэтому количество железа в готовой стали обычно составляет: при выплавке углеродистых сталей без продувки ванны ки- слородом 96 – 102%, в кислородных процессах 86 – 91%. При выплавке легиро- ванной стали эта величина составляет соответственно 90 – 100% и 80 – 90% и менее.

Количество железа в шлаке в виде оксидов определяется количеством шлака и содержанием оксидов железа в нем.

Обычно при выплавке стали в кислородных конвертерах и мартеновских печах выход шлака составляет10 – 20% от массы металла. Среднее содержание оксидов железа в шлаке составляет 10 – 15% (рисунок 1.6). Поэтому потери же- леза со шлаком в виде оксидов составляют в среднем 0,8 – 2,0%.

При нормальном нагреве ванны содержание оксидов железа в шлаке на- чинает быстро увеличиваться при концентрации углерода в металле менее 0,1%. Поэтому при выплавке низкоуглеродистой стали для снижения потерь железа со шлаком в виде оксидов целесообразно при наличии в металле 0,1 – 0,15% углерода скачать из агрегата шлак и заключительный период плавки вес- ти под минимальным количеством шлака.

При высоких концентрациях углерода окисленность шлака может увели- чиваться при низких температурах ванны, а также при наличии гетерогенных шлаков. Обычно это наблюдается в начальном периоде плавки, а также по ходу ее после подачи в ванну большого количества присадок, которые приводят к чрезмерному ее охлаждению. В связи с этим необходимо избегать раннего ска- чивания шлака в начале плавки или непосредственно после присадки материа- лов по ходу процесса.

Количество железа в шлаке в виде корольков в гетерогенных малопод- вижных шлаках может достигать 10% и более. В конечном шлаке мартеновско- го процесса содержание корольков составляет около 1%, в кислородно- конвертерном процессе – 3 – 5%. Раннее скачивание еще не сформировавшего- ся шлака вызывает значительные потери железа не только в виде оксидов, но также и в виде корольков.

Потери железа в виде корольков в шлаке обычно составляют: в мартенов- ском скрап-рудном процессе 0,5 – 1.0%; в мартеновском скрап-процессе 0,2 – 0,4%; в кислородно-конвертерном процессе при переделе чугунов обычного со- става 0,5 – 1,0%, при переделе высокофосфористых чугунов 1,0 – 1,5%.

Количество железа, уносимого отходящими газами, составляет значи-

тельную величину только в кислородных процессах, в которых наблюдается интенсивное испарение железа в первичной реакционной зоне и вынос мелких капель металла.

В окислительной газовой фазе сталеплавильных агрегатов железо нахо- дится в виде оксидов. Химический состав выносимой из агрегатов пыли обычно изменяется в следующих пределах: 80 – 85% (FeO + Fe2O3 ) , что соответствует

содержанию железа 55 – 60%; 3 – 10% CaO ; 3 – 5% SiO2 ; 2 – 3% MnO ; 3 –5%

Ak2O3 ; 1 – 4% MgO .

Количество железа, уносимого отходящими газами, обычно составляет: в кислородных конвертерах и двухванных мартеновских печах 1 – 1,5%, в марте- новских печах при продувке ванны кислородом 0,5 – 1,0%.

Рисунок 1.1 – Влияние примесей на величину поверхностного натяжения спла- вов железа

1 – Fe2O3 ; 2 – Fe3O4 ; 3 – FeO

Рисунок 1.2 – Зависимость упругости диссоциации оксидов железа от темпера- туры:

Рисунок 1.3 – Зависимость растворимости кислорода в железе от величины парциального давления его в газовой фазе над металлом