Сталеплавильные процессы

Особенности окисления углерода

Реакция окисления углерода является одной из важнейших реак­ций окислительного периода в дуговых сталеплавильных печах. Шихту для плавки с окислением составляют, как правило, с избыт­ком углерода в металле по расплавлении садки на 0,3 — 0,4% против заданного его содержания в готовой стали. Окисление избыточного углерода сопровождается образованием газообразного оксида угле­рода СО, при движении пузырьков которого происходит перемеши­вание ванны, выравнивание ее температуры и очищение жидкого ме­талла от растворенных в нем газов — водорода и азота, а также от взвешенных неметаллических включений. Уменьшение содержания углерода в расплаве происходит по реакции [С] + [О] = СО. Условия равновесия этой реакции выражают уравнением:

Kс = pсо/([С] * [О]),

где [С] и [О] — соответственно концентрации углерода и кислорода, равные их активностям при низких содержаниях в металле; рсо — парциальное давление оксида углерода в газовой фазе в условиях рав­новесия ее с металлом.

В процессе расплавления металлолома и шлакообразующих мате­риалов дугами и газокислородными горелками шлак обогащается FеО. При соответствующем нагреве жидких металла и шлака в ко­лодцах под электродами развивается процесс перехода FеО из шлака в металл. Этот процесс усиливается к концу периода плавления ших­ты за счет присадки железной руды или агломерата и продувки ван­ны газообразным кислородом.

Переход FеО из шлака в металл ускоряется по мере увеличения концентрации FеО в шлаке, уменьшения содержания кислорода в металле, повышения температуры металла и уменьшения вязкости шлака. Окисление углерода осуществляется в объеме металла по ре­акциям:

(FеО) + [С] = [Fе] + СО  и  [С] + [О] = СО,

а также на границах раздела металл-шлак и металл — футеровка ванны печи по реакции

(FеО) + [С] = [Fе] + СО.

Окисление углерода в металле происходит с образованием и ростом гаховых пузырей СО, наполняющихся также Н2 и N2 и вызывающих «кипение» ванны.

Реакция окисления углерода при отсутствии зародышей газовых пу­зырей реально происходить не может. В свою очередь зародыши газо­вых пузырей образуются на поверхности контакта жидкой стали с фу­теровкой ванны печи и кусками железной руды и агломерата. При про­дувке металла газообразным кислородом его содержание в расплаве повышается и интенсифицирует окисление углерода и выделение из металла пузырьков СО.  При содержании в металле 0,5% С и в шлаке 11,5% FеО концентрация кислорода в рас­плаве в условиях равновесия под основным шлаком составляет 0,025%, что соответствует верхнему пределу содержания кислорода. При этом нижний предел содержания кислорода в металле, отвечающий равно­весию с углеродом в количестве 0,5%, равен 0,0065%.

[Fе] + 1/O2 = (FеО),

(FеО) = [О] + [Fе],

[С] + [О] = СО

[С] + 1/2O2 = CO.

Передача кислорода в металл осуществляется, главным образом, путем перехода его из шлаковой фазы в металл.

В кислых печах с высоким содержанием SiO2 в шлаках восстанов­ление FеО на границе раздела шлак-металл приводит к образованию тонкой пленки кремнезема, которая, отделяя металл от шлака, будет препятствовать переходу FеО из шлака в металл. Перемешивание металла и шлака ускоряет диффузионные процессы.