4.6 Механізм відновлення оксидів твердим вуглецем
Рівняння МеО + С = Me + CO не відображає дійсного механізму реакції, яка протікає через декілька ступенів з обов'язковою участю газів як проміжних продуктів. Дійсна площа контакту твердих фаз між собою складає нікчемну частку загальної поверхні, тому безпосередня взаємодія оксиду з твердим вуглецем має другорядне значення. Розглянемо наступні можливі схеми цього процесу:
1. Двухступенчата схема. Одночасно протікають реакції непрямого відновлення і газифікації вуглецю вуглекислим газом. Тут відновлення здійснюється газом – СО, а вуглець лише бере участь в якості в регенерації газу СО.
МеО + СО = Ме + СО2
СО2
+ С = 2СО
МеО + С = Ме + СО
Цей процес може протікати тільки тоді, коли обидві реакції йдуть достатньо швидко. В першу чергу по цій схемі може відбуватися відновлення тих оксидів, які успішно відновлюються тільки з допомогою СО. Це перш за все оксиди заліза, нікелю і інших металів з невеликою спорідненістю до кисню.
2. Двохстадійна (дісоциатівна) схема. По цьому шляху може йти відновлення оксидів, відмінних високою пружністю дисоціації, більше 1 Па. Спочатку відбувається дисоціація оксиду, а потім взаємодія кисню з вуглецем
МеО = Ме + 1/2О2
С
+ 1/2О2
= СО
МеО + С = Ме + СО
3. Схема з випаровуванням оксиду. В цій схемі мається на увазі, що при температурі відновлення швидкість випаровування оксиду буде великою і процес йтиме шляхом випаровування оксиду і подальшою його конденсацією на поверхні вуглецю з протіканням власне реакції відновлення
МеОт = МеОг
МеОг + Ст = МеОадс·Ст
МеОадс·Ст
= Мет
+ СО
МеОт + Ст = Мет + СО
Таким шляхом може відбуватися відновлення летючих оксидів МоО3, WО3, Nb2О5 і інших при 630-870 К. Гранична швидкість відновлення визначається швидкістю випаровування оксиду. По цій же схемі може відбуватися відновлення А12О3, MgO, Ta2О3, ZrО2, а також кремнезему, при нагріванні якого утворюється летючий оксид SiO.
4. Безпосередня взаємодія твердих фаз. Хоча можливості контакту двох твердих фаз дуже невеликі, але все таки в місцях зіткнення йде реакція прямого відновлення. В місці контакту утворюється прошарок з відновленого металу або нижчого оксиду, через який йде дифузія реагентів. Ця схема реалізується при відновленні Ag2О, CuO, Fe2О3 при 500 К.
5.Основыокислительных процессов
5.1. Состав, свойства и роль шлака в процессе производства стали
Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим, определяемый количеством, составом и свойствами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих металлической части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные(SiO2; P2O5; TiO2; V2O5и др.),основные(CaO; MgO; FeO; MnO и др.) иамфотерные(А12О3; Fe2O3; Cr2O3, V2O3и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO2, CaO.
Важнейшими свойствами шлака являются основность(кислотность) иокислительная способность шлака. Простейшей оценкой основности может служить соотношение содержащихся в шлаке (СаО) и (SiO2), взятых в процентах по массе или мольных долях. Для основных шлаков (СаО)/(SiO2) > 1; для кислых шлаков (CaO)/(SiO2) < 1. Шлаки с отношением (CaO)/(SiO2)~1 называют нейтральными.
Содержание в шлаке оксидов железа, в частности FeO, определяет его окислительную способность.
Важнейшими физическими свойствами шлака являются его вязкость и плотность. Вязкость шлака зависит от химического состава и температуры. От вязкости шлака в значительной степени зависит его активность. Главным фактором, влияющим на жидкоподвижность шлака при постоянной температуре, является его основность. С повышением основности жидкоподвижность шлака уменьшается.
Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:
- связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;
- во многих сталеплавильных процессах служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу;
- в мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача тепла металлу;
- защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.
Изменяя состав шлака, можно очищать металл от таких вредных примесей, как фосфор и сера, а также регулировать по ходу плавки содержание в металле марганца, хрома и некоторых других элементов.
Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих - известняка, извести, плавикового шпата, боксита и др.