Лекция 3

Основные реакции сталеплавильных процессов

3.1.Углерод

3.1.1.Основные свойства и значение углерода

3.1.2. Окисление углерода

3.2. Марганец

3.2.1.Основные свойства и значение марганца

3.2.2.Окисление и восстановление марганца

3.3.Кремний

3.3.1.Основные свойства и значение кремния

3.3.2.Окисление и восстановление кремния

3.4. Окисление и восстановление фосфора

3.5. Удаление серы (десулъфурация металла)

Сталь получают из чугуна и лома в результате окисления и удаления, содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), поэтому особое значение в сталеплавильной практике имеют реакции окисления. Кислород для протекания этих реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кислородом.

При контакте с металлом и шлаком окислительной атмосферы, содержащей кислород в виде О₂, СО₂ или Н₂О, образуются высшие оксиды железа, обогащающие шлак кислородом (например, СО₂+2(FeO)=(Fe₂O₃)+СО).

Дальнейший процесс переноса кислорода из шлака в металл протекает по реакциям

(Fe₂O₃)+Fе_ж=3(FеО), а затем (FeO)[О]+Fе_ж.

Ниже рассмотрены основные реакции, происходящие при протекании сталеплавильных процессов. При этом для простоты расплавленная сталь будет рассматриваться как однородный раствор тех или иных компонентов в железе независимо от того, какая структура была у металла данного состава в твердом состоянии.

3.1.Углерод

3.1.1.Основные свойства и значение углерода

Углерод является важнейшей примесью металла, играющей огромную положительную роль в процессах производства стали улучшая свойства железа. Углерод позволяет получать сталь с широким диапазоном механических свойств. В сталях очень немногих марок специального назначения (электротехнических, коррозионностойких, жаропрочных и т. п.) углерод является нежелательной примесью.

Углерод имеет ограниченную растворимость в жидком железе. При 1600°С [С]мах = 5,75%. Такое содержание может наблюдаться только тогда, когда углерод является единственной примесью железа. Присутствие других примесей изменяет растворимость углерода. Карбидообразующие примеси (Мп, Сr и др.) способствуют повышению [С]мах, а примеси, образующие соединения с жидким железом (Si, Р и др.), уменьшают [С]max, поэтому в чугунах и ферросплавах содержание углерода различно, если даже в процессе их производства происходит насыщение металла углеродом (жидкий металл находится в постоянном контакте с твердым углеродом — коксом). Так, содержание углерода обычно составляет: в ферромарганце и феррохроме, полученных в указанных выше условиях, >6,5%, в обычном передельном чугуне 4,2—4,5%, в высокофосфористом чугуне ~3,6%, в 10%-ном ферросилиции ~2 %.

Углерод является главным потребителем кислорода, подводимого в ванну для окисления примесей. Например, в конвертерном процессе до 75—80 % и более кислорода расходуется на окисление углерода, поэтому управление процессом окислительного рафинирования во многих случаях сводится главным образом к регулированию реакции окисления углерода.

Перемешивание (кипение) ванны обусловлено выделением газообразных продуктов реакции окисления углерода. При окислении углерода образуются СО и СО₂, объем которых в тысячи раз превышает объем металла. Выделение такого количества газа обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, облегчает массо- и теплопередачу, создавая условия для ускорения других физико-химических и физических процессов и форсирования плавки в целом. Пузыри СО, проходя через жидкий металл, также способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки (особенно в подовых процессах) и во время вакуумирования.

Нагрев ванны теплом, выделяющимся при окислении углерода, имеет важное значение в кислородных процессах. В кислородно-конвертерном процессе тепло реакции окисления углерода составляет 20—25 % от общего теплового баланса плавки и обеспечивает необходимый нагрев металла по ходу процесса при значительных расходах лома в шихту.

Содержание в металле углерода и непрерывное его окисление являются основным фактором, определяющим окисленность ванны — содержание кислорода в металле и оксидов железа в шлаке. Окисленность ванны влияет на потери железа в шлаке в виде оксидов, а также на поведение других (кроме углерода) примесей, в частности на остаточное содержание их в металле, на угар раскисляющих и легирующих добавок, на содержание неметаллических включений в стали.