Значение реакции окисления углерода в сталеплавильных процессах.

В спокойной жидкости выравнивание температуры и химического состава происходит путем теплопередачи и молекулярной диффузии, скорость кото-рой согласно закону Фика определяется из выражения

где C – объемная концентрация вещества; D – коэффициент молекулярной диффузии; S – площадь поверхности, через которую осуществляется массоперенос вещества.

Коэффициент диффузии вещества в жидкости зависит от температуры, вязкости жидкости, а также от размера диффундирующих частиц. В таблице 10.1 приведены данные о величине коэффициентов диффузии некоторых химических элементов в жидком железе.

Таблица 10.1 – Значения коэффициентов диффузии веществ в жидком железе

Ввиду малых значений коэффициентов молекулярной диффузии в спокойном не перемешиваемом металле массоперенос вещества даже при высоких температурах сталеплавильных процессов протекает очень медленно. Поэтому большинство сталеплавильных процессов может быть реализовано за технологически приемлемый промежуток времени только при проведении мероприятий, направленных на увеличение скорости тепло- и массообменных процессов.

Поэтому при выплавке стали в кислородных конвертерах, мартеновских и дуговых электросталеплавильных печах вместе с металлической шихтой в ванну сталеплавильного агрегата обычно вводят избыточное количество углерода, который затем по ходу плавки непрерывно окисляют.

Окисление углерода сопровождается образованием большого количества газообразных продуктов реакции CO и CO₂, объем которых во много раз превышает объема металла (окисление 1 кг углерода при 1500^оС сопровождается образованием более 10 м³ CO). Удаляясь из ванны в виде пузырей, этот газ обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака, увеличивая скорости тепло- и массообменных процессов на несколько порядков, что позволяет закончить плавку за технологически приемлемое время.

Тепловые эффекты реакций окисления углерода и их влияние на организацию сталеплавильных процессов.

Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что реакция

является слабой экзотермической реакцией. Так, например, согласно данным В.И. Явойского стандартное значение изменения энергии Гиббса реакции (10.3) можно рассчитать из уравнения

В случае, когда необходимый для протекания реакции кислород поступает в металл из газовой фазы, для определения теплового эффекта реакции

необходимо просуммировать тепловые эффекты реакции растворения газообразного кислорода в железе и реакции (10.3)

При суммировании тепловых эффектов реакции (10.3) и сильной экзотермической реакции растворения кислорода в жидком железе результирующая реакция (10.5) получается сильной экзотермической реакцией. При протекании ее с высокими скоростями, например, в кислородных конвертерах выделение большого количества тепла в течении короткого промежутка времени позволяет компенсировать тепловые потери агрегата и нагреть металл до температуры выпуска без использования какого-либо топлива.

Если источником кислорода является твердый окислитель, тепловой эффект реакции

можно получить суммированием тепловых эффектов реакции (10.5) и реакции диссоциации Fe₂O₃ на металл и газообразный кислород

Из приведенных данных видно, что реакция (10.6) является сильной эн-дотермической реакцией. Поэтому обезуглероживание расплава с использованием твердых окислителей возможно только при наличии в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата источника тепла, при помощи которого можно компенсировать потери тепла при протекании реакции окисления углерода.

 

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ РАСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗА ШЛАКОМ. Термодинамическая оценка возможности окислительной десульфурации металла.

Обладая переменной валентностью, серы при взаимодействии с кислородом образует несколько газообразных соединений, наиболее устойчивым из которых при температурах сталеплавильных процессов является SO₂.

Удаление серы из сталеплавильной ванны может протекать в результате взаимодействия с растворенным в металле кислородом

а также в результате окисления оксидами железа шлака

Обе эти реакции могут протекать, например, на поверхности всплывающих в металле пузырей оксида углерода.

Температурную зависимость константы равновесия реакции (11.1) описывает уравнение

Из уравнения (11.3) видно, что реакция (11.1) является слабой эндотермической реакцией. Поэтому изменение температуры не приведет к резкому изменению константы равновесия реакции. Среднее значение константы равновесия реакции (11.1) для температур сталеплавильной ванны можно принять равным 1,1•10^-3.

Приравняв активности серы и кислорода в металле их концентрациям, можно оценить величину равновесного парциального давления SO₂ в газовой фазе. Приняв среднее содержание серы в металле равным 0,04%, а кислорода 0,02%, получим

 

Аналогичные расчеты показывают, что для реакции (11.2) величина равновесного парциального давления SO₂в газовой фазе составляет около 1 Па. Эти парциальные давления настолько незначительны, что за время плавки в результате протекания реакций (11.1) и (11.2) удалить из металла значительное количество серы не удается. Результаты исследований разных авторов показывают, что в кислородных конвертерах и мартеновских печах, отапливаемых чистым по сере топливом, количество окисленной серы не превышает 5 – 10% от исходного ее содержания в металлической шихте. Основное количество серы удаляется из металла в результате протекания других типов реакций, не связанных с окислением.

Крайне низкие значения равновесного парциального давления SO₂ в газовой фазе для реакций (11.1) и (11.2) создают предпосылки для протекания реакций в направлении поглощения металлом серы из газовой фазы. Это наблюдается, например, при использовании для отопления мартеновских печей высокосернистого топлива (мазут, коксовальный газ).

Поглощение серы металлом из газовой фазы может наблюдаться и в атмосфере крупных промышленных городов. Опыт работы электросталеплавильных цехов свидетельствует, что при использовании в завалке большого количества легковесного заржавленного металлического лома следует ожидать повышенного содержания серы в металле после расплавления.