Удаление серы (десульфурация)

Влияние серы на свойства стали можно установить из диаграммы состояния Fe-S. Сера в виде FeS неограниченно растворима в жидком железе. Но при d-g - превращениях растворимость снижается до 0,06 %, в зоне аустенитного состояния до 0,005 %. Избыточная по отношению к g-Fe сера вытесняется в жидкую фазу, которая располагается по границам зерен аустенита. Кристаллизация жидкой фазы, обогащенной серой заканчивается при t = 988 ^оС.

При нагреве металла до 1200 ^оС (перед прокаткой или ковкой) границы зерен аустенита находятся в жидком состоянии и при пластической деформации слиток покрывается трещинами и дефектами. Потеря пластичности металла в области высоких температур называется красноломкостью.

Основным виновником красноломкости является сера, поэтому ее содержание в металле ограничивается: в стали обычного качества [S] до 0,045 %; в стали особо высокого качества менее 0,015%. Но это не исключает явления красноломкости. Вопрос стоит в том, чтобы снизить содержание серы в стали ниже 0,005%.

Влияние серы усугубляется высокой ликвационной способностью, которая примерно в три раза выше, чем у фосфора. Учитывая неравномерное распределение серы по слитку нужно получить заведомо меньшее ее содержание в стали (S < 0,01-0,015 %).

Десульфурация в сталеплавильных процессах основана на переводе серы из металла в шлак. Сера в виде FeS неограниченно растворима как в металле, так и в шлаке. Поэтому распределение серы между металлом и шлаком подчиняется закону распределения Нернста-Шилова: компоненты, растворимые в двух соприкасающихся жидких фазах, распределяются между ними таким образом, что в состоянии равновесия (при постоянной температуре) отношение активности компонента в одной фазе к активности компонента в другой фазе – величина постоянная

. (7.1‑29)

Для бесконечно разбавленных растворов соотношение (7.1-29) можно записать как постоянство отношений концентраций компонентов С₁/С₂ = const.

Коэффициент десульфурации определяется по формуле

, (7.1‑30)

т.к. L_S величина постоянная, то для уменьшения [FeS] нужно снизить концентрацию (FeS). Для удаления серы из металла в шлак, необходимо перевести серу в химическое соединение, которое растворяется в шлаке, но не растворяется в металле. К таким соединениям относятся CaS, MgS, MnS и др. Можно также увеличить количество шлака, но этот способ экономически не выгоден.

Десульфурацию представляют в две стадии:

1. Процесс установления равновесия FeS в металле и шлаке

[FeS] = (FeS). (7.1‑31)

Перевод (FeS) в (СаS)

(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO). (7.1‑32)

В сумме реакции дают

[FeS] +(CaO) = (CaS) + (FeO), (7.1‑33)

. (7.1‑34)

Из соотношений (7.1-34) и (7.1-30) можно установить, что

. (7.1‑35)

Соотношение (7.1-35) позволяет определить влияние состава шлака на процесс десульфурации. Чем выше L_S, тем больше завершенность процесса.

Условия роста L_S:

1. Увеличение основности шлака (­ СаО).

2. Снижение окислительной способности шлака (¯ FeO).

Второе условие трудновыполнимо, т.к. все сталеплавильные процессы окислительные, т.е. образуется большое количество (FeO).

Рассмотрим влияние температуры на процесс десульфурации. Реакция (7.1-33) эндотермическая, протекает с поглощением тепла (с ­t ^оС, ­К), следовательно, повышение температуры положительно сказывается на процесс десульфурации.

Поэтому для десульфурации стали стремятся использовать те периоды плавки, в которые металл максимально нагрет, при высокой температуре ванны энергично окисляется углерод, получает развитие реакция [СО] + (FeO) = {CO} + [Fe] и активность (FeO) уменьшается, улучшается перемешивание металла.