4.2 Окисление и восстановление кремния

Кремний при производстве стали используется в качестве раскислителя и легирующего элемента. Сталь, легированная кремнием, об­ладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в за­каленном состоянии сохранять твердость при относительно высо­ких температурах и др.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, во время плавки окисляется и теряется практически полностью. На ход плавки наличие кремния в шихте как правило, влияет положительно. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделени­ем наибольшего количества тепла.

Кремнезем, получающийся в результате окисле­ния кремния в ванне, активнее вносимого в готовом виде и уско­ряет процесс формирования шлака. В этом смысле кремний ме­таллической шихты также положительно влияет на ход плавки.

Однако кремнезем, образующийся при окислении кремния ме­талла, оказывает разрушающее действие на основную футеровку, особенно в процессах с высоким расходом жидкого чугуна, напри­мер в конвертерных. Кроме того, при очень высоком содержании кремния образуется большое количество шлака, которое не всегда является желательным, поэтому обычно устанав­ливаются пределы содержания кремния в чугуне. Например, для основного мартеновского и кислородно-конвертерного процессов содержание кремния в чугуне желательно иметь в пределах 0,5-0,8%.

Кремний является обязательной примесью чугуна и в том или ином количестве содержится в ломе. Обычно содержание кремния в металлической шихте довольно высокое (0,5-1,0%).

Растворенный в ме­талле кремний может окисляться кислородом:

а) содержащимся в газовой фазе:

[Si ] + О₂ газ = (SiO₂); ΔG = -775670 + 198Т, Дж/моль;

б) содержащимся в окислах железа шлака:

[Si] + 2 (FeO) == (SiO₂) + 2Fe; ΔG° = -300 000+98Т;

в) растворенным в металле:

[Si] + 2 [О] = SiOa; ΔG° == -541 840 + 203Т.

Все эти реакции сопровождаются выделением очень большого количества тепла. Знак «плюс» перед энтропийными членами в уравнениях свободной энергии свидетель­ствует о том, что при повышении температуры могут создаваться благоприятные условия для восстановления кремния.

Полнота протекания реакции окисления кремния зависит от типа процесса, точнее, характера шлака, под которым проводится плавка.

В основных процессах кремнезем образует в шлаке прочные соединения: в начале плавки силикаты железа 2FeO-SiO₂ и каль­ция CaO-SiO₂, в дальнейшем двухкальцевый силикат кальция 2CaO-SiO₂ по реакции(SiO₂) + 2(СаО) = 2СаО SiO. Благодаря протеканию этой реакции активность SiO₂ в шлаке становится очень низкой даже при высокой его концентрации и кремний в основных процессах окисляется практически полнос­тью еще в начале плавки, а по ходу плавки в заметных количе­ствах не восстанавливается, независимо от присутствия угле­рода и других обычных примесей чугуна и изменения температу­ры ванны.

В кислых процессах активность SiO₂ в шлаке во много раз выше, чем в основных процессах, поэтому остаточное содержание крем­ния в металле значительно больше и может достигать >0,4 %. В начале плавки вследствие низкой температуры ванны и высокого содержания FeO в шлаке кремний окисляется полнее, остаточное содержание его бывает относительно низким (-0,05%). К концу плавки температура ванны повышается, и это одновременно спо­собствует и снижению содержания оксидов железа в шлаке, и повышению концентрации (активности) кремнезема в результате поступления его из футеровки агрегата. Изменение этих парамет­ров плавки смещает реакцию окисления кремния [Si] + 2 (FeO) == (SiO₂) + 2Fe влево, в сторону восстановления кремния. Восстановителем кремния в кислых процессах может таже являться углерод.