Лекция 3. Основные реакции и процессы сталеплавильного производства

Металлургия стали в настоящее время не является уже чисто прикладной наукой, "сборником технологических рецептов", каким она была несколько десятков лет назад. Сейчас не­возможно не только развитие и совершенствование сталепла­вильных процессов, но и получение качественной стали без использования данных современной науки, и прежде всего физической химии, физики, теплотехники, металлографии.

В ходе сталеплавильных процессов выделяется (или по­глощается) теплота, достигается (или нарушается) равнове­сие протекающих реакций, лучистая энергия факела или эле­ктрической дуги превращается в тепловую и происходят дру­гие энергетические процессы. Науку, изучающую законы теп­лового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии, называют термодинамикой. Химическая термодинами­ка изучает равновесие химических реакций, их тепловые эф­фекты. Обычно сталеплавильный агрегат представляет собой довольно сложную систему. Для характеристики системы ис­пользуют величины, называемые параметрами состояния и па­раметрами процесса.

Параметры состояния — величины, служащие для характе­ристики состояния системы (давление, объем, температура, концентрация).

Параметры процесса — величины, характеризующие про­цесс, т.е. изменение системы, связанное с изменением па­раметров состояния. К их числу относятся энтальпия, эн­тропия, энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.

Если термодинамика позволяет получать ответы на вопросы о том, каково направление протекания процесса, какое коли­чество энергии при этом выделяется (поглощается), какова характеристика последней стадии процесса, каково соотно­шение концентраций (активностей), при которых наступает состояние равновесия, то кинетика позволяет ответить на вопрос о том, какова скорость процесса, ее зависимость от отдельных параметров.

В общем случае протекание реакции в сталеплавильной ванне может быть представлено в следующей последователь­ности:

а) подвод реагентов к месту реакции;

б) акт химической реакции;

в) выделение продуктов реакции в отдельную фазу и их удаление.

В каждом конкретном случае одно из этих звеньев может лимитировать протекание процесса в целом, если скорость данного звена процесса будет меньше, чем двух других. Для большинства металлургических реакций при температурах сталеварения сам акт химической реакции протекает практи­чески мгновенно и не лимитирует протекание процесса в целом. Скорость процесса в целом в значительном числе слу­чаев определяется скоростью подвода реагентов к месту ре­акции (например, интенсивностью подачи кислорода при про­дувке металла в конвертерном процессе или интенсивностью диффузии примесей металла к границе металл—шлак и т.п.).

В некоторых случаях, когда в результате реакции должна образоваться новая фаза (например, образование пузырька газа внутри стальной ванны, образование неметаллического включения, образование твердого кристаллика металла при кристаллизации стали), скорость процесса в целом может быть лимитирована скоростью процесса зарождения и выделе­ния новой фазы.