- •1. История развития и современное состояние сталеплавильного производства
- •1.1. Этапы развития сталеплавильного производства
- •1.2. Современный этап сталеплавильного производства
- •2. Физико-химическая характеристика сталеплавильных процессов
- •3. Шлаки (см файл л_б1_шлаки)
- •Физико-химические константы элементов, наиболее часто встречающихся при выплавке стали
- •Основные химические реакции и их тепловые эффекты
- •1) Окисление фосфора в атмосфере:
- •2) Окисление монооксидом железа шлака во время плавки:
- •3.2. Шлакообразование
- •4. Шлаковые системы
- •5. Распределение компонентов между металлом и шлаком
- •6. Основные реакции сталеплавильного процесса
- •6.1. Окисление углерода
- •6.2. Окисление кремния
- •6.3. Окисление марганца
- •6.4. Окисление фосфора
- •7. Газы в сталях
1) Окисление фосфора в атмосфере:
4Р + 5О2 = 2Р2O5;
2) Окисление монооксидом железа шлака во время плавки:
2Р + 5FеО= Р2O5 +5Fе.
Пентаоксид фосфора, состоящий из двух атомов фосфора и пять атомов кислорода, образовался по разным реакциям, но имеет одинаковый состав.
Закон действующих масс. Известно, что скорость протекания реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ.
Рассмотрим реакцию: A + B ↔ C +D.
Скорость прямой реакции определяется следующим соотношением:
V1 = K1CACB,
где K1 — константа скорости реакции;
CA и CB — концентрации реагирующих веществ А и В.
Скорость обратной реакции определяется
V2 = K2CCCD,
где К2 — константа скорости обратной реакции;
СС и СD — концентрации продуктов реакции С и D.
Равновесие данной реакции наступает в том случае, когда V1 = V2 или
K1CACB = K2CCCD
K1 / K2 = CCCD / (CACB) = К,
где К — константа равновесия реакции, зависящая от природы исходных веществ и продуктов реакции, температуры и не зависящая от концентрации реагирующих веществ.
Если в реакциях участвуют несколько молекул веществ, то в общем виде константу равновесия реакции mA + nB ↔ pC + qD можно написать в следующем виде:
KC = [С]р [D]q / [А]m [В]n.
В состоянии равновесия отношение произведения концентрации продуктов реакции к произведению концентраций исходных веществ есть величина постоянная при данной температуре. В этом заключается содержание закона действующих масс, справедливого для однородных систем.
Концентрации газообразных веществ могут заменяться соответствующими парциальными давлениями.
Принцип смещения равновесия. Если система, находящаяся в равновесии, будет подвергнута внешнему воздействию, то в ней произойдут изменения, противодействующие этому воздействию, и система будет стремиться восстановить первоначальные условия. Внешними воздействиями могут быть изменения температуры, давления или концентрации реагирующих веществ и продуктов реакции.
При повышении температуры равновесие реакции, протекающей с поглощением тепла, сдвигается в сторону увеличения продуктов реакции. Понижение температуры сдвигает равновесие реакции в сторону увеличения реагирующих веществ. Сдвиг равновесия в обоих случаях будет происходить до тех пор, пока не установится новое равновесие при данной температуре.
При протекании реакции между газообразными веществами повышение давления при постоянной температуре способствует сдвигу равновесия в сторону уменьшения объема реагирующих веществ или продуктов реакции. Понижение давления способствует увеличению объема продуктов реакции или реагирующих веществ. Например, равновесная реакция 2СО + О2 ↔ 2СО2 при повышении давления сдвигается вправо (т.е. в сторону уменьшения объема), а при понижении давления — влево (т.е. в сторону увеличения объема).
Если в реакции реагирующие вещества и продукты реакции занимают одинаковые объемы, то изменение давления не вызывает сдвига равновесия. Увеличение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции сдвигает равновесие в противоположную сторону.
Закон распределения. Для металлургических процессов закон, распределения имеет большое значение. Конвертерная ванна представляет собой гетерогенную систему, состоящую из жидкой металлической ванны (чугуна или стали) и шлаковой. Металлическая ванна и шлак могут содержать одни и те же элементы, например марганец, серу, фосфор, кислород и т.д.
Если какое-нибудь вещество растворяется в двух несмешивающихся жидкостях, но контактирующих друг с другом, то оно может переходить из одной жидкости в другую. Отношение концентраций вещества в обоих растворах при определенной температуре является величиной постоянной, не зависящей от количеств каждого из растворителей и растворяющегося вещества.
Закон распределения применительно к металлургическим процессам может быть представлен следующим выражением
L = (M) / [M],
где L — коэффициент распределения элемента или вещества;
(М) – концентрация соответствующего элемента или вещества в шлаке, %;
[М]– концентрация соответствующего элемента или вещества в металле, %.
Монооксид железа FеО растворяется в металле и шлаке. Отношение концентрации FеО в шлаке к концентрации FеО в металле при данной температуре является величиной постоянной, т.е.: (FеО) / [FеО] = const.
Из закона распределения следует, что если необходимо увеличить или уменьшить концентрацию какого-либо вещества в металле, следует увеличить или уменьшить содержание этого вещества в шлаке.
Химическое сродство. Способность веществ вступать между собой в химическое взаимодействие называется химическим сродством. Знание химического сродства одних веществ к другим необходимо, так как позволяет в каждом случае установить, какие реакции пойдут в первую очередь. В любой сталеплавильной ванне протекают реакции окисления железа и его примесей (С, Мn, Si, Р и т.д.) с образованием соответствующих оксидов (СО, МnО, SiO2, Р2О5 и т.д.).
Химическое сродство элемента к кислороду характеризуется давлением диссоциации (разложения) его оксида. Давлением диссоциации оксида какого-либо элемента называется давление кислорода в газовой фазе, находящегося в равновесии с рассматриваемым оксидом. Наиболее устойчивым является оксид, давление диссоциации которого наименьшее.
Практически все оксиды сталеплавильных процессов характеризуются малым давлением диссоциации. Например, из оксидов железа только Fе2О3 обладает давлением диссоциации при 1383°С, приближающимся к парциальному давлению кислорода в воздухе, 21 кПа. Монооксид железа FеО имеет очень малое давление диссоциации.
Все элементы, находящие применение в металлургии стали, можно разделить на имеющие большее, чем железо, химическое сродство к кислороду (Si, Мn, С, Ti, Аl, Са) и имеющие меньшее, чем железо, химическое сродство к кислороду (Ni, Мо, Сu, Со). Элементы, имеющие меньшее, чем железо, химическое сродство к кислороду, не окисляются по ходу сталеплавильного процесса и могут загружаться в завалку.
Чем больше химическое сродство, тем прочнее химическое соединение. По данным изменения свободной энергии химических реакций установлено, что из всех оксидов металлов наиболее прочным является СаО, из всех сульфидов − СаS, из всех карбонатов − СаСO3 и из всех силикатов − (СаО)2SiO2.