Условия окисления кремния

Кремний - элемент легко окисляющийся. В зависимости от источника кислорода окисление кремния представлено:

1. Кислородом газовой фазы

[Si] + {O₂} = (SiO₂), DQ = 775 кДж/моль, (7.1‑6)

где DQ - количество выделяемого тепла при окислении.

2. Кислородом, растворенным в металле

[Si] + [O₂] = (SiO₂), DQ = 542 кДж/моль. (7.1‑7)

Кислородом шлаковой фазы

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe], DQ = 300 кДж/моль. (7.1‑8)

Во всех случаях при окислении кремния выделяется значительное количество тепла. Окисление кремния может протекать интенсивно во всем интервале температур сталеварения при наличии окислителя. Продукт реакции (SiO₂) переходит шлак.

Роль реакции определяется местом протекания. Реакция (7.1-6) протекает в начальный момент окисления. Реакция (7.1-7) затруднена, т.к. она связана с появлением новой фазы. Поэтому основной является реакция (7.1-8). Для этой реакции константа равновесия рассчитывается по формуле

, (7.1‑9)

где a_[Fe], a_(SiO2), a_[Si], a_(FeO) - активности [Fe], (SiO₂), [Si], (FeO) cоответственно.

Оценим активности:

1. a_[Fe] ®1, т.к. концентрация железа стремится к 1.

2. a_[Si] = [Si].

3. a_(SiO2) = (SiO₂)_св, a_(FeO) = (FeO)_св, согласно молекулярной теории.

Подставим значения активностей в уравнение (7.1-9) и определим содержание кремния в металле

. (7.1‑10)

Это выражение можно применять для определения условий окисления кремния. Реакция проходит тем полнее, чем меньше равновесная концентрация кремния в металле. Полнота протекания реакции зависит от константы равновесия и концентрации, то есть от температуры и состава.

Зависимость от температуры определяется по формуле

, (7.1‑11)

где DQ - тепловой эффект реакции; R - универсальная газовая постоянная, К – константа равновесия, Т – температура.

При уменьшении температуры, константа равновесия возрастает, следовательно, содержание кремния в металле [Si] уменьшается, то есть реакция протекает полнее.

При возрастании температуры константа уменьшается и [Si] снижается. Этот случай характеризует обратимость реакции окисления кремния.

Влияние состава шлака определяется:

1. Содержанием свободных оксидов кремния. При постоянном содержании (SiO₂), концентрация свободных оксидов кремния снижается с ростом основности шлака по следующим реакциям:

(SiO₂) + (CaO) = (CaO×SiO₂), (7.1‑12)

(SiO₂) + 2(CaO) = (2CaO×SiO₂). (7.1‑13)

При этом возрастает полнота протекания реакций, то есть реакция окисления кремния (7.1-8) протекает полнее, чем выше основность шлака.

2. Влиянием (FeO). Чем больше содержание (FeO), тем меньше равновесная концентрация [Si], то есть повышение окислительной способности шлаков увеличивает полноту окисления кремния.

В общем случае влияние состава шлака можно представить в виде диаграммы (рис. 7.1-2).

В основных реакциях окисление кремния протекает необратимо (восстановление невозможно). В кислых процессах может реализовываться процесс восстановления кремния, т.к. в кислых шлаках (SiO₂) не связано в химические соединения.