Удаление фосфора (дефосфорация)

Влияние фосфора на свойства можно определить из диаграммы состояния Fe-P. Растворимость фосфора в a-Fe снижается при температуре меньше 1050 ^оС, то есть в условиях низкой диффузионной способности. Это приводит к образованию метастабильных растворов в стали, к напряжению решетки железа и снижению пластичности (особенно в областях низких температур).

При нагревании метастабильные растворы распадаются с выделением Fe₃P по границам зерен металла, которые обладают повышенной хрупкостью. Пластические свойства металла при этом ухудшаются. Такое явление называется отпускная хрупкость или хладноломкость металла.

Фосфор является склонным к перераспределению по объему слитка в процессе кристаллизации. Это явление называется ликвационной способностью.

В стали обычного качества содержание фосфора не должно превышать 0,045 % в любом месте слитка. Следовательно, с учетом ликвационной способности, в жидком металле содержание фосфора должно быть меньше 0,01- 0,015 %.

Дефосфорация металла заключается в переводе фосфора из металла в шлак. Этот перевод в чистых сплавах Fe-P при отсутствии примесей можно осуществить по реакции

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe]. (7.1‑21)

При наличии углерода в металле, углерод будет восстанавливать фосфор из оксида, т.к. обладает большим сродством к кислороду, чем фосфор, то есть углерод окисляется за счет кислорода (Р₂О₅) по реакции

(P₂O₅) + 5[С] = 2[P] + 5{CO}. (7.1‑22)

Единственный путь удаления фосфора – связывать его в прочное химическое соединение тетрафосфат кальция (4CaO× P₂O₅)

(P₂O₅) + 4(CaO) = (4CaO × P₂O₅). (7.1‑23)

Таким образом, дефосфорация протекает в две стадии:

1. Окисление фосфора металла кислородом (FeO) по реакции (7.1-21) и переход (P₂O₅) в шлак.

2. Перевод (P₂O₅) в прочное химическое соединение (4CaO× P₂O₅) по реакции (7.1-23).

Суммируя первую и вторую стадии получаем

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO × P₂O₅) + 5[Fe]. (7.1‑24)

Тепловой эффект реакции (7.1-24) составляет 1370 кДж/моль. Полнота протекания процесса характеризуется коэффициентом дефосфорации

. (7.1‑25)

В нашем случае . (7.1‑26)

Чем полнее прошла дефосфорация, тем выше коэффициент дефосфорации. Зависимость L_P от состава шлака и температуры можно установить из уравнения суммарной реакции (7.1-24)

. (7.1‑27)

Видно, что в выражение (7.1-27) входит выражение (7.1-26). Следовательно

. (7.1‑28)

Полнота протекания реакции (коэффициент дефосфорации) зависит от состава шлака и температуры и возрастает с ростом основности шлака (­ СаО), с ростом окисляющей способности шлака (­ FeO), с увеличением константы равновесия, следовательно, с понижением температуры (для экзотермических реакций с ¯ t ^оС, К­). Таким образом, дефосфорация происходит на начальных стадиях сталеварения.