Болат балқыту процестерінің химиялық реакцияларының термодинамикасы
2.2.1 Көміртегінің тотығуы
Болатты шойыннан ондағы көміртегі мен қоспа элементтерді тотықтыру арқылы алады. Көміртегін және басқа қоспаларды тотықтыру үшін балқыма арқылы үрленетін таза оттегі, ауның оттегін және темір кенінің немесе басқа тотықтырғыштардың оттегін қолданады. Болаттың балқу температурасы 1400-1530оС. Болат балқыту процестері температурасы 1550-1650оС балқымада жүргізіледі.
Болат балқыту процесінің негізгі реакциясы көміртегінің тотығуы – көміртексіздендіру реакциялары. Көмірт егінің тотығуы СО түзіп, әртүрлі жолмен жүреді.
Шойында еріген көміртегі газ фазасындағы оттегімен тотығуы мүмкін:
[C] + 0,5O2(газ) = СО(газ) (2.1)
ΔG 
= 149000- 40,8Т (2.2)
қождағы темір оксидтерінің оттегімен:
[C] + (FeO) = [Fe] + CO(газ) (2.3)
ΔG = 115000- 98,2Т (2.4)
Метал мен қождың газ түріндегі оттегімен жанасуы кезінде оттегі металда еруі мүмкін. Алдымен темірдің жоғары оксидтері түзіледі:
0,5О2 + 2(FeO) = (Fe2O3) (2.5)
Түзілген оксид балқыған темірмен тотықсызданады:
(Fe2O3) + [Fe] = 3(FeO) (2.6)
Оттегінің балқыған металға өтуі келесі реакция бойынша жүреді:
(FeO) = [Fe] + [O] (2.7)
Металда еріген оттегі еріген көміртегімен әрекеттеседі:
[C] + [O] = COгаз (2.8)
(2.1), (2.3) және (2.8) реакциялары үшін Гиббс энергиясының температураға тәуелділігін талдау температураны көтеру көміртегінің тотығуына жақсы жағдай жасайтынын көрсетеді.
Көпіршік түрінде түзілетін көміртегі оксиді былауды қарқынды араластырып, құрамы мен температураны біркелкіліндіреді. Бұдан басқа балқыманы газ түріндегі көміртегі оксидімен араластыру балқымадан еріген газдар мен металемес кірмедерді де тазартуға жағдай жасайды.
2.2.2 Марганецтің тотығуы және тотықсыздануы
Физика-химиялық қасиеттері бойынша марганец темірге жақын. Төмен температурада әртүрлі оксидтер түзіп (MnO2, Mn2O3, Mn3O4, MnO) оңай тотығады. Жоғары температурада марганецтің жоғарғы оксидтері оңай ыдырайды. Сондықтан болат өндіру үрдісінің жағдайларында тұрақты тек MnO болады.
Шойын өндіру кезінде шикіқұрамдағы марганецтің жартысынан көбі шойынға өтеді. Шойында еріген марганец газ фазасындағы оттегімен тотығады
[Mn] + 0,5O2(газ) = (MnO) (2.9)
ΔG = - 361380 - 106,0Т (2.10)
қождағы темір оксидінің оттегімен
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] (2.11)
ΔG = - 124000 + 56,4Т (2.12)
және металда еріген оттегімен
[Mn] + [O] = (MnO) (2.13)
ΔG = - 245000 + 109Т (2.14)
Келтірілген реакциялар үшін Гиббс энергиясының температураға тәуелділігін талдау (2.11) және (2.13) реакцияларының тепе-теңдігі температураны көтергенде солға ығысатынын көрсетеді. Бұл жоғары температурада марганец оксидінің ыдырауының салдарынан балқыма былауында (2.13) реакция кері қарй жүретінін көрсетеді:
(MnO) + [Fe] = [Mn] + (FeO) (2.15)
Оттегімен тотығудан түзілген марганец оксиді болат балқыту процесінде балқымадағы оттегі және кремниймен тотықсызданады:
(MnO) + [C] = [Mn] + COгаз (2.16)
2(MnO) + [Si] = 2[Mn] + (SiO2) (2.17)
Марганецтің тотығуы тоқтап, тотықсыздануының басталу температурасы метал мен қождың құрамына да байланысты. Басқа жағдайлар бірдей болған жағдайда марганец қышқыл қож барда негіздік қож болғанға қарағанда оңай тотығады.
2.2.3 Кремнийдің тотығуы және тотықсыздануы
Кремнийдің негізгі бөлігі шойынмен келеді. Кремний оңай тотығатын элемент. Шойында еріген кремний газ түріндегі оттегімен оңай тотығады:
[Si] + O2 = (SiO2) (2.18)
ΔG = - 775670 + 198Т (2.19)
қождағы темір оксидінің оттегімен
[Si] + 2(FeO) = 2[Fe] + (SiO2) (2.20)
ΔG = - 300000 + 98Т, (2.21)
және балқымада еріген оттегімен
[Si] + 2[O] = SiO2 (2.22)
ΔG = - 541840 + 203Т (2.23)
Темперратура көтерілгенде келтірілген реакйциялар үшін Гиббс энергиясы өседі, яғни жоғары температурада кремнийдің тотықсыздануына жағдай жақсарады.
2.2.4 Фосфордың тотығуы және тотықсыздануы
Болатта фосфор зиянды қоспалар қатарына жатады, сондықтан одан тазартуға көп көңіл бөлінеді. Болат өндірісіне фосфор негізінен шойынмен келеді. Біраз бөлігі болат өндірісінде қолданылатын метал сынықтарымен түседі.
Фосфор шойында еріген түрде болады. Металда еріген фосфор газ түріндегі оттегімен тотығады
4[P] + 5O2 газ = 2(P2O5) (2.24)
ΔG = - 3096400 + 875Т (2.25)
қождағы темір оксидінің оттегімен
2[P] + 5(FeO) = (P2O5) + 5[Fe] (2.26)
ΔG = - 367625 + 165Т (2.27)
және балқымада еріген оттегімен
2[P] + 5[O] = (P2O5) (2.28)
ΔG = - 953050 + 425Т (2.29)
Фосфордың тотығуының ерекшелігі көп мөлшерде жылу бөліп жүретіндігі.
Келтірілген реакциялар үшін Гиббс энергичсының температураға тәуелділігін талдау температураны көтеру фосфордың тотықсыздануына жағдайды жақсартатынын көрсетеді. Фосфордың тотығуы төмен температурада темірі көп қождың қатысуында жақсы жүреді. Бұл кезде темір фосфаттары түзіліп, қожға өтеді:
m(FeO) + (P2O5) = (FeO)m·(P2O5) (m > 3) (2.30)
Әк қосып негіздік қож түзу фосфорды берік химиялық қосылыс кальций фосфаты түрінде қожға өткізуге мүмкіндік туғызады. Кальций және темір оксидтері бар қожбен фосфордың әрекеттесуі келесі реакциялар бойынша жүреді:
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = 4(CaO)·(P2O5) + 5[Fe] (2.31)
немесе
2[P] + 5(FeO) + 3(CaO) = 3(CaO)·(P2O5) + 5[Fe] (2.32)
Сонымен металдан фосфорды аластату үшін келесі жағдайларды ұстау керек:
- орта тотықтырғыш болу керек;
- қождың негіздігі жоғары болу керек;
- температура жоғары емес;
- фосфоры аз қож, ол фосфоры көп қожды ағызып, орнына фосфорсыз қож түзу арқылы жүзеге асады.
2.2.5 Металды күкіртсіздендіру
Болат өндірісіне күкірт негізінен шойынмен келеді. Біраз бөлігі темір сынықтарымен келуі де мүмкін.Күкірт зиянды қоспа болғандықтан одан толық арылуға тырысады. Көпшілік жағдайда балқыма үстіне әктік қож түзу арқылы жүргізіледі. Нәтижесінде түзілген кальций сульфиді СaS қожға өтеді:
[Fe] + [S] + ( CaO) = (CaS) + (FeO) (2.33)
Егер қожда MnO болса күкірт қожға келесі реакцияның жүруі арқылы өтуі мүмкін:
(MnO) + [S] + [Fe] = (MnS) + (FeO) (2.34)
Түзілетін СaS пен MnS металда ерімейді, ал қожда жақсы ериді.
Металдан күкіртті неғұрлым толық тазарту үшін келесі жағдайлар сақталу керек:
- әктік қож болу керек;
- жоғары температура;
- металда еріген оттегі аз болу керек;
- қожда күкірттің концентрациясы төмен болу керек (қожды ысырып алу).
Дата добавления: 2016-05-16; просмотров: 3443;