3.4 Общие принципы установления оптимального шлакового режима плавки

Основными параметрами, определяющими шлаковый режим плавки, являются основность и количество шлака. Для данного процесса изменение каждого параметра возможно в определенных, часто ограниченных пределах, поэтому в общем случае оптималь­ный шлаковый режим достигается одновременным изменением и химического состава (основности), и количества шлака. При этом в первую очередь должны быть полностью использованы возмож­ности повышения химической активности (основности) шлака. Если по условиям ведения плавки (высокое качество исходного сырья, умеренные требования к качеству стали и т.п.) нет необходимости в специальных мерах для удаления из металла серы или фосфо­ра, то основность шлака должна обеспечивать предотвращение чрезмерного разрушающего действия шлака на футеровку агрега­та. Для выполнения этого требования достаточно иметь основность конечного шлака 2,2-2,6. Если по ходу плавки требуется принятие специальных мер для удаления серы и фосфора, то основность шлака должна обеспечивать максимальное поглощение шлаком этих примесей. Этому требованию соответствуют конечные шлаки с основностью 2,7-3,3 в мартеновском процессе и 3,0-4,0 в кисло­родно-конвертерном процессе. Если основность превышает указан­ные значения, шлаки становятся гетерогенными и неактивными.

Роль количества шлака. Так, чем больше количество шлака, тем выше при постоянстве других условий сте­пень дефосфорации и десульфурации металла, но одновременно могут возрастать потери полезных примесей и железа, поэтому увеличение количества шлака нежелательно, если это не вызвано необходимостью удаления фосфора или серы из металла. Кроме того, при слишком большом количестве шлака затрудняется веде­ние плавки. Таким образом, для каждого типа процесса и условий его реализации (качество сырья, требования к готовой стали и т.д.) существует оптимальное количество шлака.

Наведение дополнительного количества шлака, как правило, связано с обязательным промежуточным удалением шлака из аг­регата. Это значительно удлиняет плавку.

Таким образом, изменяя состав шлака, его количество и темпера­туру, можно добиться увеличения или уменьшения содержания в металле марганца, кремния, хрома и других элементов. Поэтому во многих случаях задача сталеплавильщика заключается в получе­нии шлака необходимой консистенции и химического состава.

4 Основные реакции сталеплавильных процессов

Поскольку сталь получают обычно из чугуна и лома в результате окисления и удаления содержащихся в них примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), особое значение в сталеплавильной прак­тике имеют реакции окисления. Кислород для протекания этих реакций поступает или из атмосферы, или из железной руды, или из других окислителей, или при продувке ванны газообразным кислородом.

4.1 Окисление углерода

Растворимость углерода в сплавах на основе железа растет с температурой, а также зависит от химического состава металла.

Примеси, образующие химические соединения с углеродом (карбидообразующие примеси - Мn, Сг и др.), способствуют повы­шению [С]max, а примеси, образующие соединения с железом (Si, P и др.), уменьшают [С]max.

В процессе разливки и кристаллизации стали растворимость углерода заметно снижается. Максимальная растворимость, равная 2,14%, наблюдается в γ-Fe при температу­ре 1130°С, а при комнатной температуре <0,01%. В трансформаторной стали, легированной 3-4% Si, растворимость углерода <0,001%.

Однако углерод в твердом железе способен образовать пересыщенный раствор, т.е. оставаться в растворе в количествах, значительно превышающих растворимость. Это в основном имеет положитель­ное значение, поскольку углерод, оставаясь в растворе, занимает некоторые узлы в кристаллической решетке железа (феррита), вызывает искажение ее ввиду того, что атомы (ионы) углерода по размеру и строению отличаются от ионов железа. Изменение (ис­кажение) параметров решетки приводит к возникновению в ней напряжений, способствующих повышению прочности и твердости железа, а это означает существенное повышение его служебных свойств.

В ряде случаев углерод в стали является нежелательной, даже вредной примесью. Это прежде всего связано с тем, что при по­вышении содержания углерода в стали ее пластичность снижает­ся а это нередко является недопустимым. Например, при изготов­лении разнообразных деталей машин холодной штамповкой.

Окисление углерода, содержащегося в исходной металлошихте, в основном в чугуне, оказывает решающее положительное влияние на ход и результаты окислительного рафинирования металла в любом аг­регате:

Во-первых, при окислении углерода выделяются газы СО и СО₂. Это газовыделение обеспечивает интенсивное перемешивание ванны (металла и шлака), без которого сталеплавильные процес­сы в существующих вариантах нереализуемы. Кроме того, пузыри СО, проходя через жидкий металл, способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки (особенно в подовых процессах) и во время вакуумирования.

Во-вторых, процесс окисления углерода газообразным кисло­родом протекает с выделением тепла, и это тепло высокоэффек­тивно используется для нагрева ванны. Такое же значение реакция окисления углерода имеет в процессах, проводимых в подовых агрегатах с интенсивной продувкой ванны кислородом.

В-третьих, реакция окисления углерода [C]+(FeO)={CO}+[Fe] защищает железо от чрезмерного окисления во время его окисли­тельного рафинирования, т.е. способствует уменьшению неизбеж­ных потерь железа из-за его окисления.

В-четвертых, содержание углерода в металле и непрерывное его окисление являются основными факторами, определяющими содержание кислорода в металле, от которого зависит содержание оксидных неметаллических включений в готовой стали, т.е. ее качество.

Окисление углерода в сталеплавильных процессах в основном (на 85-90 %) протекает по реакции [С]+[О] = {СО}. Сопутствующая ей реакция окисления углерода с образованием СО₂ имеет второстепенное значение. Содержание CO₂ не превышает 10-15 %.

Возможные реакции окисления углерода, растворенного в металле:

1. [С] + 1/2О₂ = СОгаз; ΔG° = -152570 - 33,8Т; - идет с выделением значительного количества тепла.

2. [С ] + (FeO) = Fe + СОгаз; ΔG° = +85 373 – 83,8Т; - протекает с поглощением тепла.

3. [С] + [О] = СОгаз; ΔG° = -35 630-31 Т; - с выделением тепла.

Если проанализировать изменение величины ΔG° при изменении температуры, то окажется, что во всех случаях значение ΔG° с повы­шением температуры уменьшается, т. е. ее повышение благоприят­ствует протеканию реакции окисления углерода.

Константа равновесия реакции [С] + [О] = {СО} в общем случае определяется выражением Кс = Pco/(a[c]a[o]). При концентрациях углерода до 1%, а кислорода до 0,08% коэффициенты их активности примерно равны единице, поэтому Кс=Рсо/([С]·[О]).

Поскольку значение теплового эффекта реакции мало, им мож­но пренебречь. Тогда для любой температуры Рсо/([C]-[О])=const.

В конце сталеплавильного процесса при температуре 1600 С для открытых агрегатов (Рсо= 1 кг/см²), можно считать, что Кс = 402, тогда

[C]∙[О]=Рсо/Кс=Рсо/402=0,0025Рсо=0,0025.

Это означает, что в рассматриваемых условиях равновесное остаточное содержание углерода в металле зависит только от концентрации кислорода, причем чтобы получить [С]min, необходи­мо обеспечить [0]max.

Теоретически возможное максимальное содержание кислорода (см. рис.3) при температурах конца сталеплавильных процессов [О]= 0,20-0,25%. Приняв среднее значение [О]= 0,23% и под­ставив его в уравнение, получим [С]min= 0,0025/0,23 == 0,01%, т. е. в открытом сталеплавильном агрегате невозможно получить содержание углерода < 0,01%.

В реальной сталеплавильной ванне в конце плавки очень труд­но получить шлак, содержащий > 50% оксидов железа, поэтому максимальное содержание кислорода в металле составляет 0,10-0,12% и минимальное остаточное содержание углерода не быва­ет меньше 0,02%. Получение такого низкого содержания углерода в металле является нежелательным, так как приводит к резкому снижению выхода годного ввиду чрезмерного окисления железа и повышенному износу футеровки агрегата.

С

Рис. 3. Взаимосвязь содержания кислорода [O] и углерода [C] в стали: А - равновесное для реакции обезуглеро­живания при 1600° С; Б - фактиче­ское в стали [О]ф; В - равновесное по отношению к сталеплавильным шлакам

корость окисления углерода в области высоких концентраций (> 0,1-0,2%) определяется скоростью поступления кислорода. При концент­рациях менее 0,1-0,2% начинается снижение скорости окисления углерода при постоянстве скорости подачи кислорода. Эту концен­трацию называют критической.

Скорость окисления углерода при его концентрации выше критической в сталеплавильной ванне с нормальной жидкоподвижностью зависит от скорости поступления кислорода в нее, лишь в области концентраций ниже критических наблюдается зависимость скорости окисления углерода от его содержания в металле.

Эта закономерность показана на рис.4. На нем заштрихована область, показываю­щая пределы изменения критической концен­трации углерода. Характерно, что чем боль­ше удельная интенсивность продувки (цифры у кривых), тем выше критическая концентрация углерода. В области кон­центраций ниже критических в процессе окисления углерода лимитирующим звеном становится не подвод кислорода к месту реакции (извне), а передача углерода из объемов металла к месту реакции (внутренняя диффузия).

Рис. 4. Зависимость скорости окисления углерода от интенсивности продувки (цифры у кривых) и содержания углерода в стали

Таким образом, скорость подвода дутья определяет скорость окисления углерода. В современных конвертерах она достигает 0,4-0,5%/мин. В мартеновских печах из-за низкой интенсивности подвода окислителя к месту реакции скорость окисления углерода не превышает 0,025-0,040%/мин или 1,5-2,5%/час.

Место протекания реакции. Кроме интенсивности подвода окислителя, скорость протекания реакции окисления углерода определяется условиями образования и выделения продукта реакции - окиси углерода. Чтобы пузырек СО мог образоваться в металле, он должен преодолеть давление расположенного над ним столба металла, шлака и атмосферы, а также силы сцепления жидкости (преодоление сил поверхностного натяжения):

Рсо >Ратм + Ршл + Рмет + Рпов. Нат,

где Ратм, Ршл, Рмет - давления на пузырек столба атмосферы, шлака и металла; Рпов.нат = 2σ/r, здесь σ - величина поверх­ностного натяжения на границе металл-пузырек; r - радиус пу­зырька.

Чем глубже ванна, больше слой шлака и выше давление в агре­гате, тем затруднительнее условия образования и выделения пузырь­ков СО. И наоборот, снижение давления (например, при помещении металла в вакуумную камеру) приводит к вскипанию металла.

На границе раздела фаз (например, на границе металл-футе­ровка) вследствие влияния сил поверхностного натяжения и непол­ного взаимного смачивания сплошность жидкой фазы уже нарушена (металл не заполняет мелкие поры футеровки) и образующемуся в этом месте пузырьку газа не нужно преодолевать силы Рпов. нат. Реакция окисления углерода протекает именно в том месте ванны, где имеются более благоприятные условия для образования пузырь-. ков СО (граница металл-футеровка, металл-поднимающийся газо­вый пузырек, металл-неметаллическое включение).

Общие принципы достижения заданного содержания углерода в готовой стали. Обеспечение заданного содержания углерода в готовой стали является наиболее ответственной задачей, решаемой на каждой плавке, при проведении ее в любом агрегате.

Поскольку окислительное рафинирование является важнейшим элементом плавки стали в любом агрегате (обеспечивает перемешивание ванны, ускоряет тепло и массоперенос, способствует удалению НМВ и газов), то главным фактором, определяющим основные принципы достижения заданного содер­жания углерода в готовом металле, является неизбежное непре­рывное окисление этой примеси в течение всего периода окисли­тельного рафинирования. Поэтому, независимо от типа процесса и марки выплавляемой стали для достижения заданного содержания уг­лерода в готовом металле необходимо иметь определенный запас углерода в исходной шихте (превышение исходного содержания над конечным) и рационально расходовать этот запас в период окислительного рафинирования.

Плавка должна быть проведена так, чтобы имеющийся запас углерода был израсходован точно в течение того времени, которое требуется для решения других задач, кроме окисления углерода: нагрева, дефосфорации и десульфурации металла и т.п. Поскольку процесс окисления углерода легче поддается управлению, чем другие, то часто (особенно в подовых про­цессах) к моменту окончания решения других задач, кроме обезугле­роживания, стремятся сохранить небольшой запас углерода. Тогда, израсходовав этот небольшой запас углерода плавку заканчивают(пре­кращение подачи дутья в конвертерах, выпуск металла из мартенов­ских печей).

Содержание углерода в шихте в основном определяется расхо­дом чугуна, который зависит от типа процесса. В конвертерных про­цессах, где реакция окисления углерода является важным источни­ком тепла, расход чугуна высок (75-60% от массы металлической шихты) и концентрация углерода всегда во много раз больше, чем требуется не только в конце плавки, но и для нормального проведе­ния окислительного рафинирования, поскольку углерод чугуна исполь­зуется для нагрева металла. В мартеновском скрап-рудном процессе с обычным расходом чугуна (50-65%) запас углерода в шихте также значительно выше минимально необходимого. Шихту по расходу чугуна для скрап-процесса в мартеновских или электрических печах выбира­ют таким образом, чтобы запас углерода в ней был минимально необходимый для нормального проведения окислительного рафини­рования и нагрева ванны.

Обычно содержание углерода в шихте бывает известным и до­статочным для нормального проведения плавки в данном агрегате, поэтому задача достижения заданного содержания углерода в ме­талле в конце плавки сводится к синхронизации процесса окисле­ния углерода с другими процессами: нагревом, дефосфорацией и десульфурацией металла и т.п. При этом обычно наиболее ответ­ственной задачей является синхронизация процессов обезуглеро­живания и нагрева ванны, поскольку стремятся применять шихту с таким содержанием серы и фосфора, чтобы задачи десульфурации и дефосфорации металла были бы по возможности упрощены.