2. Физико-химическая характеристика сталеплавильных процессов

1. Цели и задачи плавки стали

Получение стали − это ряд сложных механических, физических и физико-химических процессов, проведение которых строго последовательно.

Цель плавки − получение жидкой стали с заданным химическим составом и температурой при минимальных затратах. Имеются в виду затраты трудовые, топливно-энергетические и материально-сырьевые.

Основной сложной задачей является получение заданного химического состава , т.к. необходимо осуществлять наибольшее количество физико-химических и физических процессов, которые достаточно сложно управляемы, что осложнено проведением процессов при высоких температурах (1400−1650 ^оС).

Для снижения ресурсоемкости плавки необходимо максимальное совмещение различных процессов во времени и пространстве, что достаточно трудно в современных условиях. Поэтому плавку делят на части: по месту проведения и по характеру протекания процессов.

По характеру протекания процессов плавку делят на:

• рафинирование металла − удаление избытка примесей;

• раскисление - легирование металла − введение полезных примесей и удаление кислорода из готовой стали.

Эти процессы не совместимы, т.к. рафинирование предусматривает окисление, а раскисление − это удаление кислорода.

Рафинирование − наиболее сложный элемент технологии плавки стали.

Состоит из нескольких стадий:

• Предварительное рафинирование − проводят до подачи чугуна в сталеплавильный агрегат. Сводится к удалению серы из чугуна, а так же удалению кремния, фосфора.

• Основное (окислительное) рафинирование − проводится в сталеплавильном агрегате, сводится к удалению примесей их окислением.

• Дополнительное рафинирование − удаление серы. Проводится в сталеразливочных ковшах, путем обработки синтетическими шлаками или шлакообразующими смесями.

• Дегазация − обработка готового металла в вакууме или нейтральном газе, в сталеразливочном ковше, с целью удаления водорода, кислорода, азота.

Окончательным формированием химического состава является процесс раскисления-легирования. Процесс заключается в расплавлении и растворении в жидком металле полезных примесей и химическое взаимодействие элементов-раскислителей с вредными примесями.

Таким образом, управление плавкой стали сводится к регулированию реакций окисления различных химических элементов.

Основные задачи теории сталеплавильных процессов состоят:

• В установлении закономерностей протекания реакций окисления в тех или иных условиях плавки;

• В установлении зависимости химических реакций от изменения температуры металла;

• В использовании закономерностей для разработки и осуществления оптимального режима плавки, обеспечивающего минимальные затраты.

2. Законы физической химии в сталеплавильном производстве

В процессе плавки стали происходит взаимодействие различных фаз − металлической, шлаковой, газовой и футеровки. Они отличаются по агрегатному состоянию и химическому составу.

СО, СО₂

Рис. 1. Агрегатное состояние и основные компоненты взаимодействующих фаз

Таким образом, результатом такого взаимодействия являются различные обменные процессы, т.е. переход химических элементов из одной фазы в другую. Это объясняется тем, что в разных фазах могут быть разные химические (изобарные) потенциалы элементов. Изобарные потенциалы могут быть созданы искусственно, или складываться естественно.

Для получения заданного состава и качества стали, основным является взаимодействие металла со шлаковой и газовой фазами (т.е. взаимодействие жидкой и газовой фаз).

Сталеплавильный процесс преимущественно окислительный, т.е. идут реакции окисления кремния, марганца, фосфора, углерода, хрома, сопровождающиеся переходом их из металла в шлак. Степень завершенности процессов окисления зависят от температуры и состава шлака.

Т.к. взаимодействующие компоненты и продукты сталеплавильных реакций находятся в различных фазах, они называются гетерогенными, идущими в несколько стадий:

1. Массоперенос веществ в объеме фаз и на границу раздела;

2. Химическая реакция взаимодействия реагирующих веществ;

3. Отвод продуктов реакции в объем фаз.

Стадии 1 и 3 называют диффузионными (диффузия веществ). Стадия 2 − кинетическая. Скорость диффузионных стадий значительно меньше скорости кинетической стадии. Суммарная скорость реакции определяется самой медленной стадией. Т.о. в сталеплавильном производстве скорость процесса определяется законом диффузионных стадий. Для их ускорения применяют перемешивание металла.

Изучение процессов происходит по следующим направлениям:

1. Определение возможного направления протекания процесса;

2. Установление предела протекания химической реакции (позволяет установить степень удаления примеси из металла);

3. Определение возможной скорости процесса и влияющих на нее факторов (важно для установления производительности агрегата).

Первая и вторая задачи решаются с помощью законов термодинамики. Для сталеплавильных процессов направление протекания реакции определяется по знаку изменения потенциала Гиббса (ΔG^o_т).

Если ΔG < 0, то реакция идет слева направо; ΔG > 0 − в обратном направлении и ΔG = 0 − это состояние термодинамического равновесия.

Например:

Реакция	ΔG^oт, кДж/моль	ΔG^o1600, кДж/моль
[Mn] + [O] = (MnO)	− 244,69 + 0,109 Т	− 40,5
½ [Si] + [O] = ½(SiO2)	− 271,17 + 0,102 T	− 80,0
2/3[Al] + [O] = 1/3(Al2O3)т	− 367,1 + 0,131 Т	− 121,7
2/5[P] + (FeO) = 1/5(P2O5) + [Fe]	− 71,52 + 0,033 T	− 9,7
2/5[P]+[O]+3/5(CaO)=1/5(Ca3P2O8)	− 134,08 + 0,038 T	− 62,9
½[S] + [O] = ½{SO2}	2,8+0,027 T	53,37
[C] + [O] = {CO}	− 35,62 − 0,031 T	− 93,7
[C] + (FeO) = [Fe] + {CO}	85,43 − 0,084 T	− 71,9
[C] + ½{O2} = {CO}	− 152,57 − 0,034 T	− 216,6

Выводы:

1. В сталеплавильной ванне возможно протекание всех реакций, кроме окисления серы. Сера может окисляться только в вакууме.

2. Наиболее полно протекает реакция окисления алюминия.

3. В кислом процессе, когда в шлаке не могут образовываться фосфаты, P₂O₅ остается практически в свободном состоянии. Окисление фосфора более глубокое, если P₂O₅ переходит в основной шлак, но дефосфорация металла не существенна.

4. Углерод окисляется интенсивно, особенно газообразным кислородом.

Изменение потенциала Гиббса связано с константой равновесия, являющейся критерием полноты протекания реакций:

.

Константа равновесия зависит от температуры:

,

где ΔQ − тепловой эффект реакции;

R − универсальная газовая постоянная.

Если реакция экзотермическая (ΔQ >0, т.е. с выделением тепла), то температурная функция убывает , т.е. с ростом температурыТ константа равновесия убывает. Для эндотермических реакций (ΔQ <0, т.е. с поглощением тепла) , т.е. с ростом температуры возрастает и константа.

Если в реакции участвуют чистые вещества, то константа равновесия определяется (через концентрацию компонентов):

,

где С_i − концентрация i-го компонента,

,

где M_i − масса i-го компонента.

Если в реакции компоненты газовой фазы (через парциальное давление):

,

где P_i − парциальное давление i-го компонента,

,

где P − общее давление в системе; N_i − мольная доля i-го компонента,

,

где n − число молей.

Если продукты реакции − компоненты растворов (через их активность):

,

где α_i − активность i-го компонента,

, − основное выражение для сталеплавильных процессов.

где γ_i − коэффициент активности i-го компонента (характеризует взаимодействие данного компонента с другими компонентами раствора).

γ = 1, компоненты не взаимодействуют − идеальный раствор, ,

γ<1, компоненты взаимодействуют − реальный раствор, .

• Пример использования физхимии в решении практической задачи: реакция окисления марганца, растворенного в жидком железе.

[Mn] + (Fe) = (MnO) + Fe_ж, ΔG^o = - 120000 + 60Т.

Из соотношения для ΔG^o следует, что:

• при окислении марганца выделяется тепло;

• при повышении Т знак «минус» может поменяться на знак «плюс».

 Какие факторы могут повлиять на концентрацию марганца?

Из выражения для константы равновесия

, следует что , т.е. чем меньшеα_(FeO) , тем больше [Mn].

 Как уменьшить α_(FeO)?

• можно раскислить ванну, т.е. уменьшить окисленность и металла , и шлака.

• создать благоприятные условия для протекания реакции [C] + (FeO) = CO_г + Fe_ж , тогда окисленность шлака α_(FeO) уменьшится и произойдет восстановление марганца из шлака.