2. Роль реакции окисления углерода

Содержание углерода в стали значительно меньше, чем в чугуне, поэтому сталеплавильные процессы почти всегда сопровождаются реакцией окисления углерода, которую часто называют основной реакциейполучения стали.

Углерод является главным потребителем кислорода, подводимого в ванну для окисления примесей. Например, в конвертерном и мартеновском скрап-рудном процессе до 75-80% и более кислорода расходуется на окисление углерода, поэтому управление процессом окислительного рафинирования во многих случаях сводится главным образом к регулированию реакции окисления углерода.

Удаление углерода из металлического расплава может протекать в зависимости от источника кислорода по следующим реакциям:

 кислород газовой фазы С+¹/₂О₂=СО; (7.2‑36)

 кислород расплава С+О=СО; (7.2‑37)

 кислород оксидов железа шлака С+ (FeО) =СО+Fe. (7.2‑38)

Рассмотрим возможность протекания реакции (7.2-2). Условие реакции – образование газообразного продукта СО. Таким образом, протекание реакции возможно при соблюдении следующего условия: давление газа СО (Р_со) должно преодолеть внешнее давление

Р_соР_в , (7.2‑39)

, (7.2‑40)

где Р_ввнешнее давление, которое можно выразить для пузырька единичного размера следующим образом

Р_в= Р_о+ Н+ Р_кап, (7.2‑41)

где Р_оатмосферное давление; (Н)гидрастатическое давление; Р_{кап =} 2rкапиллярное давление, связано с наличием избыточной поверхности раздела фаз; Нвысота столба жидкости над пузырьком газа;плотность жидкости; rрадиус кривизны поверхности (радиус пузыря);поверхностное натяжение на границе фаз.

Следовательно, внешнее давление можно определить по формуле

Р_в= Р_о+ Н+ 2r. (7.2‑42)

Условие (7.2-4) перепишем с учетом соотношений (7.2-5) и (7.2-6)

. (7.2‑43)

Представим это условие в зависимости от радиуса пузыря (рис. 7.2-1).

Р_о+ Н

Очевидно, что условие протекания реакции окисления углерода (7.2-2) выполняется в случае, когда размер образующегося пузырька газа {СО} будет больше определенного критического размера, то есть Р_со ≥ Р_в, когда rr_кр. В условиях сталеплавильного процесса r_кр= 0,045 см.

Таким образом, окисление углерода возможно лишь тогда, если в жидком металле имеются газовые полости размером больше критических. Такие полости имеются на границе раздела металла с огнеупорной футеровкой агрегатов. Они представляют собой поры огнеупорной футеровки, не смачиваемые металлом, с размером r r_кр. Пузырь газа {СО} зарождается на границе раздела, отрывается и всплывает (рис. 7.2-2), т.к. металл не смачивает поры, то процесс повторяется бесконечно.

Рис. 7.2-2. Схема формирования газового пузыря {СО}

на границе раздела металл-футеровка

Фронтом реакции окисления углерода является граница раздела металл-футеровка, то есть в реакции участвует кислород растворенный в металле. Следовательно, это реакция окисления углерода (7.2-2).