АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Основные реакции конвертерных процессов

Окисление углерода. Окисление избыточного углерода — одна из основных задач конвертерной плавки, поскольку чугун содержит от 2,8 до 4,6 % С, а выплавляемая сталь — значительно меньше.

Углерод при температурах сталеплавильных процессов окисляется в основном до СО (до СО₂ окисляется менее 10% углерода). Окисление углерода, растворенного в металле, может происходить по следующим реакциям:

[С]+1/2 О₂ = СО+152470 Дж/моль;

[С] + [О] =СО + 22370 Дж/моль;

[С] + (FеО) =СО + Fе—98840 Дж/моль.

Третья реакция сопровождается поглощением тепла, о чем свидетельствует знак минус.

Окисление углерода сопровождается образованием газовой фазы — пузырей СО. Растворимость СО в железе ничтожно мала, поэтому при окислении углерода из ванны выделяются пузыри СО, вызывая эффект кипения ванны, ее перемешивание и вспенивание.

Реакция окисления углерода необратима, так как продукт реакции СО удаляется из ванны. Скорость реакции окисления углерода определяется скоростью подачи окислителя (кислорода) и условиями образования и выделения газообразного продукта реакции СО. В любой точке конвертерной ванны пузырь СО может образоваться, если давление в нем (Р_со) превысит следующую величину:

P_CO >P_атм+Р_мет+Р_шл+Р_п.н.- превысит суммарное давление, создаваемое: 1) атмосферным давлением Р_атм; 2) давлением вышележащих слоев жидкого металла и шлака Р_мет и Р_шл; 3) давлением, создаваемым внутри пузыря в результате сжимающего воздействия поверхностного натяжения металла Р_пн. С учетом этих величин установлено, что внутри жидкого металла образование пузырей СО невозможно, т. е. реакция окисления углерода может идти на поверхности раздела металла с уже имеющейся газовой фазой (вдуваемые струи- кислорода, всплывающие из ванны пузыри СО). По сравнению с другими сталеплавильными агрегатами в кислородных конвертерах создаются благоприятные условия для окисления углерода (в объеме металла постоянно имеются газовые полости в результате внедрения кислородных струй в ванну).

Реакция окисления углерода занимает особое место среди других, поскольку при выделении газа СО обеспечивается перемешивание ванны; выравнивание состава и температуры; удаление из металла вредных газов водорода и азота; ускорение всех реакций между металлом и шлаком, так как при перемешивании возрастает поверхность контакта металл—шлак.

Продувка до низких содержаний углерода в металле представляет определенные трудности. Продувка сверху позволяет без затруднений получать содержание углерода в металле 0,05—0,06%; при дальнейшем вдувании кислорода для более полного окисления углерода существенно усиливается окисление железа, оксиды которого переходят в шлак, т. е. сильно возрастают потери железа со шлаком (в виде FеО и Fе₂О₃).

При донной и комбинированной продувке создаются более благоприятные условия для полного и быстрого окисления углерода, и без сильного переокисления шлака и металла можно получить содержание углерода в металле 0,02—0,03% и менее. Причины этого заключаются в следующем:

1) вследствие более высокой интенсивности перемешивания металла и шлака происходит дополнительное окисление углерода по реакции: [С] + (FеО)=СО + Fе;

2) благодаря вдуванию через дно дополнительных газов (нейтральных или природного) увеличивается объем газовых полостей в ванне; что облегчает образование СО, т. е. протекание реакции обезуглероживания;

3) дополнительно вдуваемые газы, смешиваясь с продуктом реакции обезуглероживания СО, понижают парциальное давление СО в зоне реакции, поэтому в соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие реакции сдвигается вправо, в сторону более полного окисления углерода.

Кроме того, после окончания кислородной продувки часто проводят перемешивающую продувку снизу аргоном; при этом также про FеО, содержащегося в шлаке, что позволяет получать в металле содержание углерода < 0,005%.

Дефосфорация. Удаление фосфора из металла в шлак протекает в две стадии, первая из которых — образование Р₂О₅:

1) 2 [Р] + 5(FеО) = (Р₂0₅) + 5Fе.

Образующийся оксид Р₂О₅ является непрочным соединением (температура кипения 590 °С), поэтому может удерживаться в шлаке лишь в виде более прочных соединений с другими компонентами шлака. Такими соединения-ми являются 3СаО Р₂О₅ или 4СаО Р₂О₅, образование которых является второй стадией процесса дефосфорации:

2) (Р₂О₅) + 3(СаО) = (3СаО-Р₂О₅).

Если просуммировать эти две реакции, то получим итоговую реакцию удаления фосфора:

2[Р] + 5(FеО)+3(СаО) - (3СаО*Р₂О₅) +5Fе,

идущую с выделением значительного количества тепла («700000 Дж/моль). Реакция может протекать лишь до равновесного состояния, определяемого температурой и составом шлака. После достижения равновесия удаление в шлак фосфора происходить не будет. Полноту протекания реакции часто характеризуют коэффициентом распределения фосфора между шлаком и металлом (Р₂О5)/[Р].

Более полному удалению фосфора в шлак (сдвигу равновесия реакции вправо) способствует увеличение основности шлака СаО/SiO₂ (или содержания СаО), повышение окисленности шлака (или содержания FеО) и относительно низкая температура.

Наряду с этим достигаемая за время плавки степень удаления фосфора зависит от скорости протекания реакции дефосфорации, которая зависит от площади поверхности контакта металл—шлак и вязкости шлака. Поскольку реакция идет на границе металл—шлак, более быстрому ее протеканию способствует увеличение поверхности контакта металл—шлак, т. е. улучшение перемешивания металла со шлаком. Ускорению протекания реакции способствует также снижение вязкости шлака, поскольку в вязких шлаках затруднена диффузия компонентов, участвующих в реакции. Вязкость шлака снижается при увеличении количества разжижающих компонентов (СаF₂, FеО и др.) и повышении температуры.

С учетом изложенного необходимо отметить, что влияние температуры на дефосфорацию двояко; при снижении температуры равновесие реакции дефосфорации сдвигается в сторону более полного удаления фосфора, но скорость дефосфорации понижается вследствие увеличения вязкости шлака.

Большое значение имеет также количество шлака, поскольку при одном и том же коэффициенте распределения количество фосфора, перешедшего в шлак, тем больше, чем больше масса шлака.

В конвертерах с продувкой сверху реакция дефосфорации равновесного состояния не достигает; в большей степени она приближается к равновесию при донной и комбинированной продувке, где интенсивность перемешивания металла со шлаком значительно выше. Значение коэффициента распределения фосфора (Р₂О₅)/[Р] при продувке сверху обычного чугуна (0,2—0,3% Р и менее) колеблется в пределах от 50 до 100—120 (степень дефосфорации >90%). При продувке фосфористых чугунов сверху коэффициент распределения фосфора достигает 200 и иногда 500, при донной и комбинированной продувке — выше и в конце продувки может достигать 700.

Десульфурация. Сера при конвертерной плавке, как и при других сталеплавильных процессах, удаляется из металла в основной шлак по реакции: [S] + Fе + (СаО) = (СаS) + (FеО), тепловой эффект которой очень мал.

Эта реакция, как и реакция удаления фосфора, может идти до определенного равновесного состояния, после достижения которого удаления серы из металла происходить не будет. Полноту протекания реакции часто характеризуют коэффициентом распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S].

Более полному удалению серы (сдвигу равновесия реакции вправо) способствуют высокая основность шлака и низкое содержание в нем FеО. Поскольку тепловой эффект реакции близок к нулю, изменение температуры практически не вызывает смещения ее равновесия.

Полнота десульфурации так же, как и дефосфорации, зависит от скорости протекания реакции и возрастает при увеличении поверхности контакта металл—шлак (улучшении их перемешивания) и снижении вязкости шлака. Повышение температуры способствует удалению серы, поскольку вследствие снижения при этом вязкости шлака десульфурация происходит с большей скоростью. Увеличение количества шлака также обеспечивает получение более низкого содержания серы в металле.

Поскольку конвертерные шлаки содержат большое количество FеО, условия для протекания реакции десульфурации в кислородном конвертере неблагоприятные и десульфурация получает ограниченное развитие. При продувке сверху коэффициент распределения (S)/[S] составляет 2—12; степень десульфурации (доля удаленной серы, % от исходного содержания) не превышает 30—40%.

Раскисление стали. В конце продувки металл в конвертере содержит 0,03—0,08% растворенного кислорода, в твердом железе при комнатной температуре растворимость кислорода (количество, которое может удерживаться в растворе) не превышает 0,003%. Если не удалить этот избыточный кислород, то он выделится в процессе затвердевания и из затвердевшего металла, что вызовет возникновение многих дефектов. К их числу относятся: красноломкость, вызываемая выделением оксидных пленок по границам зерен при кристаллизации; пузыри, образующиеся в результате взаимодействия растворенного кислорода с углеродом; старение стали; большое количество оксидных неметаллических включений, вызывающих снижение ударной вязкости и ряда других механических свойств стали; снижение пластичности стали и др. Для предотвращения возникновения этих дефектов производят раскисление стали. По степени раскисленности стали делят на спокойные (полностью раскисленные), кипящие и полуспокойные.

Раскисление спокойной стали. Целью раскисления спокойной стали является снижение до минимума количества растворенного в жидкой стали кислорода и по возможности более полное его удаление из жидкого металла. Конвертерную сталь раскисляют осаждающим методом: в металл вводят раскислители — элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду, чем железо. Они взаимодействуют с растворенным кислородом, образуя оксиды, которые нерастворимы в жидкой стали и выделяются в объеме металла в виде мелких частиц самостоятельной фазы.

Спокойную сталь раскисляют марганцем, кремнием, алюминием, а в некоторых случаях кальцием, редкоземельными металлами (РЗМ) и др. Раскисление происходит по следующим реакциям:

[Мn] + [О] = (МnО);

[Si] + 2[O] = (SiO₂);

2[Аl] + 3[O] = (А1₂O₃),

Продукты раскисления (оксиды) должны быть удалены из металла. Поскольку оксиды легче металла, они всплывают, что обеспечивает удаление части продуктов раскисления; улучшение их удаления достигается при перемешивании металла, например, продувкой в ковше аргоном, порошкообразными материала-ми. Оставшиеся мелкие оксиды составляют основную часть обнаруживаемых в затвердевшей стали оксидных неметаллических включений; они ухудшают качество стали.

Элементы-раскислители имеют неодинаковую раскислительную способность; чем выше химическое сродство (см. п. 2.1) элемента к кислороду, тем выше его раскислительная способность, т. е. тем меньше останется в жидком металле растворенного кислорода после добавки данного раскислителя. По мере увеличения раскислительной способности элементы-раскислители располагаются в следующей последовательности: марганец, кремний, алюминий, титан, кальций, РЗМ. Обычно соблюдают следующий порядок раскисления — сначала вводят слабый раскислитель (марганец), затем более сильные (кремний, затем алюминий). Марганец и кремний вводят в виде ферросплавов (см. табл. 13), алюминий в чистом виде.

Раскисление кипящей и полу-спокойной стали. Целью раскисления кипящей и полуспокойной стали является снижение содержания растворенного кислорода до уровня, обеспечивающего требуемую интенсивность кипения металла в изложнице. Кипящую сталь раскисляют только слабым раскислителем — марганцем; полуспокойную — марганцем и небольшим количеством кремния.

Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 1002 | Нарушение авторских прав