Взаимодействие металлических и шлаковых расплавов

При взаимодействии металлических и шлаковых расплавов протекают важные физико-химические процессы такие, как окисление, легирование, модифицирование, раскисление, науглероживание, десульфурация, дегазация, удаление неметаллических включений. Эти процессы протекают в сложной системе при взаимодействии нескольких фаз различной физико-химической природы.

В результате химического взаимодействия между шлаком и жидким металлом изменяется химический состав и шлака, и металла. Например, после образования шлакового покрова прекращается непосредственное взаимодействие жидкого металла с окислительной атмосферой. Однако окисление элементов химического состава сплава продолжается за счет их взаимодействия с закисью железа FeO, находящейся в шлаке, по реакциям:

Si+2FeO = SiO₂+ 2Fe,

Mn + FeO = MnO +Fe,

C + FeO = CO + Fe.

Эти реакции протекают потому, что химическое сродство окисляемых элементов к кислороду выше, чем у железа.

За счет взаимодействия металлического и шлакового расплавов происходит не только окисление элементов сплава, но и удаление растворенного в жидком металле кислорода. Эта операция называется раскислением. Процессы окисления и раскисления определяются составом и свойствами газовой фазы.

Термодинамической характеристикой состава и свойств газовой фазы может служить химический потенциал компонента газовой фазы, измеренный относительно стандартного состояния μ°.

Разность химических потенциалов кислорода при стандартном состоянии, когда давление равно 1 атм., и при любом другом давлении называется кислородным потенциалом:

. (53)

При изотермическом переходе моля кислорода от давления 1 атм. к давлению кислородный потенциал равен изменению свободной энергии системы: . (54)

Для любого оксида реагирующего компонента:

, (55)

где a – активности оксида в шлаке и металла; n и m – стехиометрические коэффициенты реакций образования оксидов, отнесенные к молю реагирующего вещества.

Кислородный потенциал по мере увеличения прочности оксида ( ) уменьшается, а затем понижается с уменьшением активности оксида в шлаке а_(МеО) и увеличением активности элемента в металле а_[МеО].

В газовой фазе кислородный потенциал может быть выражен через парциальные давления:

. (56)

Условием окисления примесей металлической ванны является наличие кислородного потенциала окислителя, превышающего кислородный потенциал оксидов компонентов. При окислении железа, марганца и кремния должно быть обеспеченно неравенство

.

Степень полноты окисления элементов вытекает из равенства, которое может быть достигнуто в условиях равновесия:

.

Чем меньше значение и больше прочность оксида, тем полнее пройдёт окисление того или иного элемента и большим будет соотношение .

Последовательная завершенность процессов окислительных элементов можно установить на основании сравнения величин изменения свободной энергии образования различных оксидов ( ).

В реальных условиях работы плавильных агрегатов в газовой фазе и шлаке поддерживается окислительный потенциал, значительно превышающий потенциал окисляемых элементов. В таких условиях реакции окисления нескольких элементов протекают одновременно, но с различными кинетическими возможностями.

В целом процесс окисления складывается из следующих элементарных процессов:

- передача окислителя из газовой фазы к шлаковой или металлической;

- преодоление межфазных границ газ - шлак или шлак – металл;

- диффузия окислителя в шлаковой или металлической фазах;

- перенос элемента к реакционной зоне;

- адсорбция элементов в реакционной зоне;

- химическое взаимодействие между окислителем и элементом;

- зарождение и развитие новой фазы из продуктов химического взаимодействия;

- удаление новой фазы из реакционной области.

Скорость суммарного процесса всегда определяется процессом, протекающим с минимальной скоростью.

ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПЛАВКЕ СТАЛИ