Реакция окисления примесей

В процессе продувки кислород вступает во взаимодействие с углеродом, кремнием и марганцем чугуна. Механизм окисления этих примесей протекает по двухстадийной схеме: в подфурменной зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо (действие закона масс):

[Fe] + ½{O₂} = FeO. (8.2‑1)

Образующаяся FeO частично растворяется в металле.

FeO → [O] + [Fe] (8.2‑1)

и частично в шлаке FeO→( FeO). (8.2‑1)

Затем протекает вторая стадия реакции – окисление примесей, растворенным в металле [O] и (FeO) в шлаке, которая преимущественно в зоне циркуляции и на границе с первичной реакционной зоной по схемам:

Окисление кремния и марганца, как и углерода начинающееся с момента подачи кислорода в ванну конвертера, при чем весь кремний и большая часть марганца выгорают в первые минуты продувки. Кремний и марганец при температуре начала продувки в конвертере 1450–1500 ^оС обладают более высоким средством к кислороду, чем углерод, что наглядно иллюстрирует график изменения состава металла и шлака по ходу продувки в конвертере (рис. 8.2−7).

В соответствии с реакцией (см. рис. 8.2‑7) отмечаются следующие особенности поведения марганца: при уменьшении содержания FeO в шлаке во второй половине продувки содержание марганца в металле возрастает, т.е. марганец восстанавливается из шлака; в конце продувки, когда усиливается окисление железа содержание окислов железа в шлаке возрастает, наблюдается вторичное окисление марганца. Конечное содержание марганца в металле зависит от начального содержания в чугуне и возрастает при увеличении температуры металла в конце продувки и снижении окисленности шлака. Обычно в металле содержание марганца составляет от 0,2 до 0,4 %.

Углерод в кислородном конвертере окисляется преимущественно до 10 (80 –90 %), остальные до СО₂. В начале продувки (рис. 8.2‑7), когда интенсивно окисляется кремний и марганец, а температура ванны мала скорость окисления углерода сравнительно невелика. В дальнейшем, вследствие повышения сродства углерода к кислороду при возрастании температуры ванны и уменьшении расхода кислорода на окисление кремния и марганца скорость окисления углерода возрастает, достигая максимума (0,35–0,45 %/мин) к середине плавки. В конце продувки она вновь падает вследствие уменьшения углерода в металле.

Роль реакции обезуглероживания в кислородно-конвертерной плавке велика, поскольку длительность окисления углерода определяет продолжительность продувки, кроме того, выделяющиеся пузырьки СО обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, способствующее рафинированию металла от вредных примесей, в том числе и частичное удаление из металла азота и водорода.

Удаление фосфора из металла в шлак (дефосфорация) осуществляется по экзотермической реакции

2[P] + 5(FeO) + (CaO) = (3CaO∙P₂O₅) + 5Fe + 767290 Дж/моль. (8.2‑1)

Для усиленного протекания этого процесса необходимо повышать основность и окисленность шлака при невысокой температуре. В кислородном конвертере имеются благоприятные условия для удаления фосфора в шлак – наличие основных шлаков со сравнительно высоким содержанием окислов железа и хорошее перемешивание ванны. Дефосфорация начинается сразу после начала продувки (рис. 8.2‑7), что объясняется быстрым началом формирования основного железистого шлака в конвертере. Реакция удаления фосфора сопровождается выделением тепла, поэтому интенсивно протекают при сравнительно низких температурах.

Конечное содержание фосфора в металле зависит от количества шлака и полноты протекания реакции дефосфорации, которая характеризуется величиной коэффициента распределения фосфора между шлаком и металлом (P₂O₅/[P]). Это величина в зависимости от условий плавки колеблется от 40 до 100 и в этих пределах обычно тем выше, чем выше основность и окисленность шлака. Более полному протеканию реакции дефосфорации способствует улучшение перемешивания металла со шлаком, что достигается при снижении вязкости шлака и при более раннем шлакообразовании. Обычно в конечном металле содержание фосфора после продувки находится в интервале 0,002– 0,004 %.

При современной технологии выплавки стали, когда доводочные операции переносятся в агрегаты внепечной обработки стали при выпуске металла нежелательно попадание окисленного конвертерного шлака с высоким содержанием фосфора в разливочный ковш, так как при высоких температурах доводки возможно развитие процессов рефосфорации.

Десульфурация в кислородном конвертере происходит путем перевода серы из металла в шлак. Около 10 % серы может удаляться в виде газообразной SO₂ в результате ее окисления кислородом дутья.

Для успешного протекания реакции десульфурации

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) (8.2‑1)

необходима высокая основность шлака и низкое содержание в нем окислов железа. Конвертерный шлак содержит значительное количество FeO (7 –20 % и более), поэтому десульфурация получает ограниченное развитие. Степень десульфурации обычно составляет 30–40 %, а коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (S) / [S] невелик (2–12).

Достигаемая при плавке степень десульфурации определяется главным образом повышенной основностью шлака и возрастает при увеличении количества шлака и увеличении длительности продувки. Влияние температуры при возрастании увеличивается, т.к. вызывают снижение вязкости шлака.

В связи с ограничением возможности развития десульфурации в кислородном конвертере этот процесс лучше организовать вне конвертера. Либо осуществлять внедоменную десульфурацию чугуна специальными приемами или удалять серу из металла в агрегатах внепечной обработки, в которых можно создавать оптимальные условия для перевода серы из металла в шлак.