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 реакцией получения 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}; (7.2‑1)

- кислород расплава [С] + [О] = {СО}; (7.2‑2)

- кислород оксидов железа шлака [С] + (FeО) = {СО}+ [Fe] . (7.2‑3)

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_со³Р_в , (7.2‑4)

, (7.2‑5)

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

Р_в = Р_о+ Н×g + Р_кап, (7.2‑6)

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

Следовательно, внешнее давление можно определить по формуле

Р_в = Р_о+ Н×g + 2s / r. (7.2‑7)

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

. (7.2‑8)

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

Р_о + Н×g

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.

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).