Тема 7. Основные реакции сталеплавильных процессов 1

7.1. Поведение основных примесей шихты при производстве стали 2

7.1.1. Химическое сродство элементов 2

7.1.2. Условия окисления кремния 4

7.1.3. Условия окисления марганца 6

7.1.4. Удаление фосфора (дефосфорация) 8

7.1.5. Удаление серы (десульфурация) 10

7.2. Роль реакции окисления углерода 13

7.2.1.1. Роль реакции окисления в сталеплавильных процессах 15

7.2.1.2. Кинетика окисления углерода 16

7.3. Основы дегазации стали 17

7.4. Раскисление стали 20

7.5. Неметаллические включения в стали 25

7.6. Легирование стали 29

7. Основные реакции сталеплавильных процессов

Выплавка стали в конвертерах, в мартеновских и дуговых электропечах связана с окислительными процессами. В этих процессах под действием кислорода происходит окисление примесей чугуна, лома. Речь идет об окислении углерода, кремния, марганца, фосфора и, к сожалению, самой металлической основы – железа. Источником кислорода является атмосфера сталеплавильного агрегата и газообразный кислород чистотой более 99 %, который под давлением с помощью специальных водоохлаждаемых кислородных фурм вдувают в металлический расплав. Кислород, внедряясь в расплав, образует реакционный кратер с развитой поверхностью раздела металл-газ. На этой поверхности раздела (реакционной зоне) протекают ключевые реакции окислительных процессов: Fe+¹/₂O₂= (FeO);

(FeO)[Fe] + [O];

¹/₂O₂= [O].

При записи металлургических реакций приняты обозначения: элемент, заключенный в квадратные скобки [R], растворен в жидком металле; соединение, заключенное в круглые скобки (R), растворено в шлаке; элемент или соединение, заключенные в фигурные скобки RO, находится в газообразном состоянии.

Кислород, растворенный в железе [O], и оксид железа в шлаке (FeO) являются источниками кислорода для окисления остальных примесей железа.

1. Поведение основных примесей шихты при производстве стали

Окисление металлических и неметаллических примесей железа (за исключением углерода) сопровождается образованием жидких или твердых фаз, которые в силу меньшей плотности по сравнению с расплавленным железом всплывают на его поверхность и образуют совместно с присаживаемыми флюсами жидкий шлак.

При рассмотрении вопросов, связанных с изучением основных реакций, обычно используют понятие химического сродства элементов.

1. Химическое сродство элементов

Под химическим сродствомпонимают способность элементов вступать в химическое взаимодействие между собой. Критерием химического сродства являются значения констант равновесия реакций (К) химического взаимодействия элементов.

Рассмотрим и сравним сродство к кислороду железа и примесей, характерных чугуну, в диапазоне температур сталеплавильного производства (рис. 7.1-1). Основные реакции окисления:

1) Fe + ¹/₂ O₂ = (FeO); (7.1‑1)

2) 2P + ⁵/₂O₂ = (P₂O₅); (7.1‑2)

3) C + ¹/₂ O₂ = CO; (7.1‑3)

4) Mn + ¹/₂ O₂ = (MnO); (7.1‑4)

5) Si + O₂ = (SiO₂). (7.1‑5)

Рис. 7.1.-1. Зависимость констант равновесия реакций окисления примесей чугуна от температуры

На основании этих зависимостей можно оценить химическое сродство. Сродство элементов друг другу тем выше, чем больше значение константы взаимодействия.

Для всех указанных на графике (рис. 7.1-1) элементов можно выделить 3 области:

1. Температура металла (t) меньше 1470^oC.

При этой температуре наибольшее значение константы равновесия соответствует реакции (7.1-5), то есть максимальным сродством к кислороду в этом в этом интервале будет обладать кремний (Si), далее Mn, C, P, Fe.

2. t = 1470−1560 С, по тем же соображениям порядок окисленияSi, C, Mn, P, Fe.

3. t1560^oC, порядок окисленияC,Si,Mn,P,Fe. Следовательно, при температуре сталеплавильных процессов (t= 1600−1620^оС) наиболее активным к кислороду является углерод.

Это справедливо тогда, когда рассмотрены одинаковые концентрации веществ. Ввиду большей концентрации железа в чугуне окисление его сопровождает окисление остальных примесей.