Поведение примесей в сталеплавильной ванне

Значение и основные свойства углерода

Углерод среди примесей металла занимает особое место. Продуктом его окисления является газообразная окись углерода, не одна из других примесей сталеплавильной ванны при взаимодействий с кислородом в растворенном металле не дает газообразной фазы, при относительно малых весовых количествах СО занимает значительные объемы, превышающие при обычных условиях объем самого металла в 1000 раз, при 1500⁰С при окисление одного килограмма углерода выделяется более 10 метров кубических СО и СО₂. Выделение такого количества газа состоящего на 90% из СО и 10% СО₂ обеспечивает интенсивное перемешивания металла и шлака, улучшает масса и теплопередачу.

Дефосфорация и десульфурация металла в мартеновских печах практически не возможны без перемешивания ванны вызываемого продуктами окисления углерода, аналогична эта роль и в других сталеплавильных агрегатах, кроме того пузыри СО проходя через жидкий металл также способствуют удалению из него газов и неметаллических включений в процессе плавки. Нагрев ванны теплом выделяющиеся при окислении углерода имеют важное значение в кислородных процессах, например в кислородно-конверторном процессе. Тепло реакций окисления углерода, составляет 20-25% от общего теплового баланса плавки, тоже самое можно отнести и к мартеновским и к двух ванным с интенсивной продувкой ванны кислородом.

Процесс окисления углерода

Процесс окисления углерода, учитывая его важность, исследован больше чем любая другая реакция. В настоящее время теоретически и экспериментально доказано, что процесс окисления углерода протекает не только по реакции [С] + [О] = {СО} (1), этой реакции всегда сопутствует реакции образования СО₂ в металле {СО} + [О] = {СО₂}; [С] + 2[О] = {СО} и в шлаке {СО} + (FeO) = {СО₂} + [Fe]

Но реакция образования СО при любых условиях всегда считается главной, образование СО₂ практическое значение имеет только при низких содержания углерода в металле, наибольший интерес представляет изучение реакции СО (1) которую длительное время считали единственно возможной.

Исследование реакции один позволили сделать вывод, что в результате взаимодействия углерода и кислорода растворенных в железе выделяется незначительное количество тепла то есть реакция (1) слабоэкзотермическая и выделяется Q = 36-46 кДж/моль.

Долгое время искали ответ на вопрос, какое остаточное (минимальное) содержание углерода (теоретически возможное) можно получить при продувки металла кислородом.

В результате исследований было получено следующее соотношение: [C] x [O] ~ 0.0025 (2), это означает, что в рассматриваемых условиях равновесном остаточное содержание углерода в металле зависит от концентраций кислорода в нем, при чём исходя из формулы 2, чтобы получить [С]_min мы должны иметь максимальное содержание кислорода в металле [Q]_max, после содержание кислорода максимального окисление углерода прекращается, то есть C_minбудет считаться остаточным равновесным содержанием, теоретически возможное максимальное содержание углерода при температурах конца сталеплавильных процессов составляет [С]_max 0.2-0.25%, примем среднее значение [С]_теорmax = 0,23% и подставим в уравнение (2), получим содержание углерода - 0.01%, то есть в открытом сталеплавильном агрегате невозможно получить содержание углерода меньше 0,01% если даже весь шлак состоит только из оксидов железа.

В реальной сталеплавильной ванне в конце плавки трудно получить шлак содержащий более 50% оксидов железа. По этому максимальное содержание углерода в металле в конце сталеплавильного процесса составляет [С]_прmax = 0,01-0,12% подставим в формулу (2) и получим [С]_прmin= > 0,02%. Получение такого низкого содержания углерода в металле является нежелательным, так как приводит к резкому снижению выхода годного из-за чрезмерного окисления железа и повышенного износа футеровки.

В редких случая современной практики получают сталь с содержанием углерода менее 0,02%, но при этом в сталеплавильном агрегате 0,025-0,04% а дальнейшее снижение содержание углерода в жидкой стали производят обработкой вакуумирования и нейтральным газом.

Основные свойства и значения кремния

Кремний одни из наиболее распространенных в пироде элементов и занимает второе место после кислорода, в земной коре его приблизительно 26%. В следствии высокого химического сродства к кислороду, кремний прежде всего используют в качестве раскислителя, кроме того кремний используют для легирования стали, для раскисление кремний вводят в спокойную сталь в количестве 0,15-0,35%; полу спокойную - 0,10-0,12; в кипящей стали кремний является нежелательной примесью ухудшающий кипение металла в изложнице по этому содержание кремния в металле не должно превышать [Si] = 0,02 - 0,03%. Кремний как легирующий элемент в сталях содержится в количестве [Si] = 0,5 - 0,6%

Сталь легированная кремнием обладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, не большим остаточным магнетизмом, жароупорностью и другими свойствами.

Поведение кремния в сталеплавильных ванных

Кремний является обязательной примесью чугуна, а также содержится в том или ином количестве в ломе. Обычное содержание кремния в металлической шихте довольно высокое 0,5-1%, основными реакциями определяющими поведение кремния в сталеплавильных ваннах является [Si]+2(FeO)=(SiO₂)+2[Fe]; [Si] + 2[O] = (SiO₂)

Основные сталеплавильные процессы

В основных процессах SiO₂ образует в шлаке прочные соединения: в начале плавки 2FeO x SiO₂, CaO x SiO₂. Благодаря этому активность SiO₂ в шлаке очень низкое даже при высоком его концентрации и кремний в основных сталеплавильных процессах окисляется практически полностью еще в начале плавки, а походу плавки в заметных количествах не восстанавливается, не зависимо от присутствия углерода и других обычных примесей чугуна и изменения температуры ванны.

В начале окислению кремния способствует относительно низкая температура ванны и высокое содержание FeO в шлаке. По ходу плавки температура ванны повышается это вызывает восстановление кремния так как реакция экзотермический и смещается в лево, однако с повышением температуры ванны растет основность шлака и приводит к образованию прочного соединения 2CaO x SiO₂. Остаточное содержание кремния в металле составляет 0,01-0,02%.

Кислый процесс

В кислых процессах активность SiO₂ в шлаке во много раз выше чем в основных процессах по этому остаточное содержание кремния в металле значительно больше.