TOMP / Лекция_11

11 ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ РЕАКЦИЙ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА

ИИХ ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗАЦИЮ ПЛАВКИ

11.1Тепловые эффекты реакций окисления углерода

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что реакция

является слабой экзотермической реакцией (– ΔH = 22 – 46 кДж/моль). Так, например, согласно данным В.И. Явойского стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (11.1) можно рассчитать из уравнения

необходимо просуммировать тепловые эффекты реакции растворения газооб- разного кислорода в железе и реакции (11.1)

При суммировании тепловых эффектов реакции (11.1) и сильной экзо- термической реакции растворения кислорода в жидком железе результирующая реакция (11.3) получается сильной экзотермической реакцией. При протекании ее с высокими скоростями выделение большого количества тепла в течении ко- роткого промежутка времени позволяет компенсировать тепловые потери агре- гата 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 (11.3) и реакции диссоциации Fe2O3 на металл и газообразный кислород

Из приведенных данных видно, что реакция (11.4) является сильной эн- дотермической реакцией. Поэтому обезуглероживание расплава с использова- нием твердых окислителей возможно только при наличии в рабочем простран- стве сталеплавильного агрегата источника тепла, при помощи которого можно компенсировать потери тепла при протекании реакции.

11.2Влияние тепловых эффектов реакции окисления углерода на организацию плавки

Имея сведения о тепловых эффектах реакции окисления углерода, можно рассчитать изменение температуры ванны в идеальных условиях, которые предполагают, что ванна не обменивается теплом с окружающей средой и в ней не протекают другие процессы, кроме окисления углерода. При соблюдении этих условий изменение энтальпии металла и шлака связано только с тепловы- ми эффектами реакции обезуглероживания.

К идеальным условиям близки условия конца плавки в кислородных кон- вертерах при выплавке стали с содержанием углерода не менее 0,15 – 0,2%.

При этом металл и шлак представляют собой жидкие фазы и отсутствуют эндо- термические процессы плавления шиты, а при высокой скорости окисления уг- лерода потери тепла в окружающую среду малы в сравнении с тепловым эф- фектом реакции обезуглероживания.

В этом случае изменение температуры ванны можно оценить по формуле, полученной из теплового баланса, составленного на 100 кг металла

где Qo - стандартный тепловой эффект реакции, рассчитанный при 25оС,

кДж/кг; Qвв - физическое тепло взаимодействующих веществ, кДж/кг; Qпр -

физическое тепло продуктов реакции, кДж/кг.

Результаты оценки изменения температуры ванны при окислении 1% уг- лерода в идеальных условиях представлены в таблице 11.1. В расчетах среднее содержание CO2 в продуктах реакции окисления углерода принято равным

10%.

Таблица 11.1 – Изменение температуры ванны при окислении 1% углерода в

Приведенные в таблице сведения о возможном изменении температуры ванны при окислении 1% углерода в различных условиях позволяют сделать некоторые практически важные выводы.

1.При обезуглероживании металла продувкой холодным кислородом окисление 1% углерода в идеальных условиях должно сопровождаться нагре- вом ванны на 115оС.

В реальном кислородно-конвертерном процессе вследствие малой про- должительности продувки потери тепла в окружающую среду малы, но плавле- ние лома обычно продолжается почти до конца плавки. Поэтому в середине продувки, когда основное количество вдуваемого в ванну кислорода расходует- ся на окисление углерода, рост температуры ванны при окислении 1% углерода не превышает 80 – 90оС.

При окислении 1% углерода температура плавления металла увеличива- ется на 75 – 95оС в зависимости от его концентрации. Поэтому при обезуглеро- живании металла продувкой холодным кислородом температура ванны увели- чивается, но перегрев металла над температурой плавления остается практиче- ски неизменным.

Это означает, что при выплавке стали в кислородных конвертерах доста- точный для нормального проведения операций выпуска и разливки стали пере- грев металла должен быть создан в начальном периоде продувки до начала ин- тенсивного обезуглероживания. С этой целью в составе передельного чугуна необходимо наличие оптимального количества кремния, марганца и других примесей, окисление которых в начальном периоде продувки позволит создать необходимый перегрев металла над температурой плавления.

2.При обезуглероживании металла с использованием воздушного дутья значительное количество тепла расходуется на нагрев вдуваемого в ванну азо- та. В этих условиях возможное увеличение температуры металла в результате окисления 1% углерода приблизительно в два раза меньше, чем повышение температуры его плавления.

Поэтому при выплавке стали в конвертерах воздушного дутья в началь- ном периоде продувки требовалось создать значительно больший перегрев ме- талла над температурой плавления, чем при плавке в кислородных конвертерах. С этой целью, например, для производства стали в бессемеровских конвертерах выплавлялся чугун с содержанием кремния 3 – 3,5%. Окисление большого ко- личества кремния в начальном периоде продувки давало возможность нагрева металла до температуры выпуска при минимальном количестве металлического лома в шихте.

3.При обезуглероживании ванны с использованием твердых окислителей окисление 1% углерода в идеальных условиях должно сопровождаться охлаж- дением металла на 180оС.

Для окисления 1% углерода необходим расход железной руды в количе- стве 6% от массы металла. Следовательно, в идеальных условиях присадка в ванну 1% железной руды должна сопровождаться охлаждением ее на 30оС. В реальной плавке при наличии источника тепла в рабочем пространстве стале- плавильного агрегата эта величина может быть несколько меньше.

Обычно при доводке плавки в крупных мартеновских печах перегрев ме- талла над температурой плавления не превышает 50 – 70оС. Поэтому масса од- новременной присадки твердых окислителей не должна превышать 2% от мас- сы металла. На практике ее обычно ограничивают 1 – 1,5%.

4.При обезуглероживании мартеновской ванны присадками твердых окислителей непосредственно перед подачей очередной порции окислителя ме- талл перегрет над температурой плавления на 50 – 70оС. После ввода железной руды температура ванны несколько понижается и следующая порция железной руды может быть подана только спустя некоторое время, которое требуется для восстановления исходной величины перегрева металла. После присадки окис- лителя температура ванны снова понизится и т.д. Поэтому при обезуглерожи- вании металла присадками твердых окислителей, происходит некоторое повы- шение температуры ванны, но перегрев металла над температурой плавления обычно не превышает 50 – 70оС.

Для нормального выполнения операций выпуска, внепечной обработки и разливки стали перегрев металла должен составлять 100оС и более. По этой причине доводка плавки в мартеновских печах при использовании твердых окислителей делится на два самостоятельных периода: полировку (рудное ки- пение) и чистое кипение.

В периоде рудного кипения ванну обрабатывают присадками железной руды, окисляя основное количество избыточного углерода. При повышенном содержании серы и фосфора в металле одновременно проводят обновление печного шлака.

Задачей периода чистого кипения является нагрев металла до температу- ры выпуска. Обычно он начинается, когда содержание углерода в металле пре- вышает марочное на 0,15 – 0,2%. В периоде чистого кипения присадки в ванну твердых окислителей не проводятся. Кипение ванны происходит только за счет поступления кислорода из газовой фазы печи. Это позволяет к моменту сниже- ния концентрации углерода в металле до уровня, предусмотренного маркой вы- плавляемой стали, достичь необходимого перегрева металла над температурой плавления.

5. Обезуглероживание металла за счет поступления горячего кислорода из газовой фазы сталеплавильного агрегата сопровождается выделением боль- шого количества тепла и в идеальных условиях должно сопровождаться значи- тельным нагревом ванны.

Однако, в реальных процессах скорость обезуглероживания металла за счет поступления кислорода из газовой фазы печи мала, а количество выде- лившегося при обезуглероживании тепла обычно не позволяет компенсировать тепловые потери сталеплавильного агрегата. Поэтому использование этого спо- соба обезуглероживания возможно только при наличии в рабочем пространстве агрегата факела, электрической дуги или других источников тепла.