Окисление марганца

В процессе плавления марганец окисляется на 50-60% от первоначального содержания. И конце плавления распределение марганца между ме­таллом и шлаком оказывается близким к равновесному. В связи с заметным влиянием температуры на постоян­ную равновесия марганца (67) и (68) и близостью рас­пределения марганца между металлом и шлаком к со­стоянию равновесия поведение марганца очень чувстви­тельно к изменению состава шлака и температуры ванны. При повышении температуры металла и сниже­нии содержания оксидов железа в шлаке марганец мо­жет восстановиться из шлака по реакциям

(MnO) + [C] = [Mn] + {CO};

(MnO) + [Fe] = (FeO) + [Mn],

В связи с этим поведение марганца в окислительный период служит своеобразным указателем теплового ре­жима. Горячий ход окислительного периода обеспечивавает обычно восстановление марганца и его поддержа­ние в пределах 0,2—0,25%.

Окисление кремния

Согласно выражению постоян­ной равновесия реакции окисления кремния (61) и (62), пониженная температура способствует окислению крем­ния. При содержании в шихте 0,3—0,4% Si и присадке железной руды почти весь кремний окисляется уже в пе­риод плавления. Если железную руду не загружают в печь, то к концу плавления остается в металле 0,06— 0,09% Si, а к концу окислительного периода 0,04— 0,05% Si. При переплаве кремнистых отходов с продув­кой кислородом, когда температура металла заметтю возрастает, по расплавлении в металле , может быть до 0,5% Si, а иногда и выше.

Более полное окисление кремния в основной дуговой печи по сравнению с окислением марганца объясняется не только большим сродством к кислороду кремния, но и тем, что продукт окисления — кремнезем — прочно свя­зывается с основными оксидами шлака и прежде всего с CaO в силикаты.

Окисление углерода

Некоторое количество углерода окисляется в период плавления. Однако если в металле содержатся элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем углерод, как, например, алюминий, ти­тан, кремний, то окисление углерода не наблюдается ни в период плавления, ни в начальной стадии окислитель­ного периода.

Реакция окисления углерода сопровождается выде­лением CO, который улучшает перемешивание металла, а следовательно, ускоряет протекание всех процессов и нагрев ванны, способствует удалению из металла рас­творенных в нем газов и неметаллических включений.

Длительность окислительного периода определяется временем, необходимым для проведения процесса дефосфорации металла, а также нагрева металла до опреде­ленной температуры. В течение всего окислительного пе­риода ванна должна кипеть, т. е. должен непрерывно окисляться углерод с некоторой скоростью. При исполь­зовании в качестве окислителя железной руды скорость окисления углерода обычно составляет 0,4—0,6% /ч в на­чале окислительного периода, Кислород в металл в этом случае поступает из шлака и скорость его поступления в значительной степени определяется содержанием FeO в шлаке и его вязкостью. Чем выше содержание FeO в шлаке, тем при прочих равных условиях больше скорость перехода кислорода из шлака в металл, выше скорость окисления углерода. Жидкоподвижные шлаки хорошо перемешиваются, и в этом случае FeO хорошо доставля­ется к поверхности раздела шлак — металл. Поэтому снижение вязкости шлака приводит к увеличению скоро­сти окисления углерода. Повышение температуры спо­собствует переходу кислорода из шлака в металл, снижа­ет вязкость шлака и металла и, таким образом, вызыва­ет окисление углерода.

Скорость окисления углерода заметно возрастает при продувке ванны газообразным кислородом. Интен­сивность продувки достигает 0,5 м3/(т-мин). В момент продувки скорость окисления углерода в электропечи при его содержании 0,5—1% достигает 1,5—2%/ч, т. е. в три-пять раз больше, чем в бескислородных плавках.

Скорость окисления углерода в зависимости от интенсивности продувки в электропечах разной емкости (цифры у кривых — емкость печи, т)На рис. 82 представлена зависимость скорости окис­ления углерода в электропечах разной емкости от интенсивности продувки. При этом же расходе кислорода ско­рость окисления углерода возрастает обратно пропорционально емкости печи. Скорость окисления углерода зависит также и от его содержания (уменьшается с понижением содержания углерода).

К концу окислительного периода содержание углеро­да в металле обычно получают на 0,03—0,1% меньше требуемого предела в заданной марке. В восстановительный период металл несколько науглероживается, углерод вносится также и раскислителями, и ле­гирующими присадками, так что к концу плавки содер­жание углерода достигает требуемого предела.

Дефосфорация металла

В практике производства электростали используют рекомендации, вытекающие из теоретического анализа процесса дефосфорации: использование малофосфористой шихты, наведение высокоосновного железистого шлака с периодическим его обновлением. Технология выплавки стали в дуговой электропечи разработана с учетом того обстоятельства, что фосфор окисляется преимущественно при понижен­ной температуре металла, т. е. в начале процесса.

Соотношение между фактическим и равновесным содержанием фосфора в 10- и 100-т электропечахШирокое использование выводов из теоретического анализа термодинамических закономерностей поведения фосфора в практике сталеплавильного производства объясняется тем, что по ходу окислительного периода распределение фосфора между шлаком и металлом при­ближается к равновесному. Это подтверждается данны­ми диаграммы (рис. 83), где представлено соотношение фактического и расчетного (равновесного) содержания фосфора в металле в окислительный период в 10- и 100-т электропечах.

Значительная часть фосфора окисляется в процессе плавления, когда пониженная температура металла способствует этому процессу. Содержание P2O5 в шлаке по расплавлении при переплаве обычной шихты составляет 0,5—1,2%. Для дальнейшего снижения содержания фос­фора в металле необходимо часть шлака удалить из пе­чи и навести новый. В окислительный период удаляют из печи 70—80% шлака. Таким способом к концу окисли­тельного периода можно получить содержание фосфора в металле 0,01—0,015%. Увеличением количества шлака с последующим его удалением из печи содержание фос­фора может быть понижено до 0,005—0,007%.

При продувке ванны в окислительный период кисло­родом температура металла быстро повышается. В свя­зи с этим появляются затруднения с проведением процес­са дефосфорации металла при выплавке стали с низким содержанием фосфора (<0,01 %). На заводе «Днепроспецсталь» был разработан следующий способ дефосфорации металла. При выплавке низкофосфористой трансформаторной стали окисление углерода до его со­держания в металле ∼0,1% ведут железной рудой. Температура металла в этом случае не повышается. Для окисления углерода с 0,1 до 0,02% используют кислород. Шлак непрерывно обновляют. Некоторое повышение температуры металла к концу продувки не приводит к повышению содержания фосфора в металле. Совмещение процесса дефосфорации с периодом плавления является одним из надежных способов получения малофосфорис­той стали в кислородных плавках.

В последнее время все большее внимание уделяется изучению возможности ускорения процесса дефосфора­ции продувкой металла порошкообразными материала­ми. Сущность процесса продувки металла состоит в том, что при введении в металл мелко измельченных частиц (0,05—1 мм) сокращается длительность плавления мате­риала, увеличивается контактная поверхность и в целом ускоряется протекание физико-химических процессов.

В качестве газа-носителя при дефосфорации металла порошкообразными материалами используют кислород. Предложены и опробованы различные материалы для вдувания. Так, при вдувании кислородом смеси, состоя­щей из 75—85% извести и 15—25% плавикового шпата, в окислительный период содержание фосфора снижа­лось за 8 мин продувки в 30-т электропечи с 0,039—0,062 до 0,005—0,006%.

Хорошие результаты были получены сотрудниками Московского вечернего металлургического института и работниками Златоустовского металлургического завода при вдувании смеси из 75% извести, 15% окалины и 10% плавикового шпата. Содержание фосфора к концу про­дувки не превышало 0,005%. Таким образом, продувка металла порошкообразными смесями является эффектив­ным методом получения малофосфористой стали.

Поведение серы в металле

При проведении плавок в электропечах с восстановительным периодом задача по удалению серы из металла переносится в восстанови­тельный период, в котором обеспечиваются лучшие усло­вия для десульфурации металла (высокоосновный мало­железистый шлак и повышенная температура металла). В случае выплавки стали с сокращенным восстанови­тельным периодом или вообще без него частично или полностью процесс десульфурации металла необходимо провести в окислительный период.

В периоды плавления и окисления сера переходит в шлак в виде сернистого кальция CaS. Для малоосновных шлаков с отношением (% CaO)/(% SiO2) в пределах 1,7—2,2 коэффициент распределения серы обычно со­ставляет 1—2. Таким образом, под таким шлаком даже при его обновлении удаляется очень мало серы. При по­вышении основности шлака до 2,5—4 возрастает и коэф­фициент распределения серы между шлаком и металлом до 3—5, а иногда и до 8—10.

Для обеспечения удаления серы в окислительный пе­риод необходимо, чтобы используемые шлакообразующие материалы, главным образом известь и плавиковый шпат, не содержали много серы. Так, при содержании се­ры в шлакообразующих ≥0,1% десульфурации металла в окислительный период не наблюдается. В окислитель­ный период обычно удаляется до 40—60% серы.