4. Кислород в железе и стали. Растворимость и предельная растворимость кислорода в стали. Методы расчета.

5. Обезуглероживание железо-углеродистых расплавов. Способы интенсификации обезуглероживания расплава.

Окисление углерода является важнейшим процессом плавки, влияющим на развитие других физических и химических процессов, протекающих в ванне. Такое влияние связано с образованием большого количества газообразного оксида углерода при обезуглероживании расплава. Объем выделяющегося газа при окислении 0,1% углерода примерно в 100 раз больше объема металла в печи. Выделение пузырьков СО вызывает интенсивное перемешивание ванны, увеличивает массоперенос, облегчает протекание реакций, лимитирующихся диффузионными процессами. Окисление углерода является сложным процессом, состоящим из нескольких стадий, к которым можно отнести следующие основные:

конвективная диффузия оксида железа в шлаке по направлению к поверхности шлак-металл;

переход кислорода в металл через границу раздела шлак-металл;

конвективная диффузия кислорода и углерода в металле к месту химической реакции;

акт химической реакции;

зарождение новой газовой фазы;

удаление пузырьков окиси углерода из расплава.

Суммируя все эти стадии, процесс окисления углерода за счет кислорода шлака можно записать уравнением:

Как известно, в электросталеплавильной практике существуют два способа подвода окислителя для обезуглероживания расплава: в первом – кислород поступает из шлака, в котором высокая активность кислорода поддерживается добавками железной руды, агломерата и других окислителей, при этом скорость окисления углерода изменяется от 0,005 до 0,02% углерода в мин.; во втором – расплав продувают газообразным кислородом, при этом скорость окисления углерода увеличивается до 0,03-0,05% углерода в мин., а при высоком углероде, в зависимости от интенсивности подачи кислорода, и до больших значений.

Изучение кинетики процесса окисления углерода, определение лимитирующих стадий, выяснение факторов, определяющих и влияющих на скорость окисления углерода

представляется весьма важным для сталеварения. Известно, что скорость многостадийного процесса (vпроц) определяется уравнением:

(2.17)

где ν1, ν2, ν3, … νn - скорости отдельных стадий процесса. Как правило, скорость процесса определяется одной наиболее медленной стадией, называемой лимитирующей, остальными можно пренебречь. Стадии 1, 2, 3 в процессе окисления углерода являются диффузионными. Скорость конвективной диффузии первой и третьей стадии зависит в основном от интенсивности перемешивания и в незначительной степени от температуры. При активном перемешивании ванны в дуговой печи, очевидно, эти стадии лимитирующими быть не могут. Можно предположить, что определяющей скорость обезуглероживания стадией, является вторая - переход кислорода в металл через поверхность раздела шлак-металл. Это подтверждается и практикой. В окислительный период плавки стали скорость окисления углерода возрастает с увеличением удельной поверхности контакта металла и шлака, т.е. с повышением интенсивности перехода кислорода в металл через межфазную границу. В реальных условиях, при всех используемых способах доставки кислорода в металл скорость окисления углерода пропорциональна увеличению интенсивности доставки кислорода (при относительно высоком более 0,15-0,20% углерода в ванне). При этом любая скорость введения кислорода практически не вызывает существенного повышения концентрации кислорода в стали. Введенный кислород достаточно быстро взаимодействует с углеродом. Большая скорость обезуглероживания газообразным кислородом связана с существенным увеличением поверхности раздела металл-шлак. Однако, процесс лимитируется доставкой кислорода только при определенных условиях, а именно, когда в расплаве находится в избытке реагирующий углерод. В соответствии с теорией С. И. Филиппова существует так называемая критическая концентрация углерода [С]кр, выше которой скорость окисления углерода зависит от интенсивности подачи окислителя. При этом скорость окисления углерода предлагается записывать в виде:

(2.18)

где V – объем металлической ванны,

η – коэффициент использования окислителя,

ω – скорость потока окислителя,

– парциальное давление кислорода в газовой фазе (например, при использовании для обезуглероживания кислорода в смеси с другими газами - аргоном, азотом и др.).

С уменьшением концентрации растворенного углерода до значений, меньших, чем [С]кр, закономерности окисления углерода существенно изменяются. В этих условиях скорость окисления углерода лимитируется доставкой углерода к месту реакции или различием между объемным содержанием углерода в ванне и углеродом в месте протекания реакции. Так как акт химической реакции в качестве лимитирующей стадии в данных условиях не рассматривается, то скорость окисления углерода предлагается описывать выражением:

, (2.19)

где К – константа скорости реакции.

Этот период характеризуется меньшими скоростями окисления углерода, повышением концентрации кислорода в металле, существенным развитием процесса окисления железа.

Значение критической концентрации углерода для железо-углеродистого расплава составляет 0,15-0,25% и зависит от многих факторов, таких как скорость поступления кислорода в ванну, парциального давления кислорода в газе, химического состава расплава, температуры и других параметров.

Рассмотрим пятую стадию – зарождение новой фазы. В связи с тем, что скорость химической реакции превосходит скорость поступления реагентов к месту реакции, следовало ожидать, что химическая реакция – обезуглероживание – достигает равновесия.

Однако, как показывают экспериментальные данные, фактические значения, характеризующие содержание углерода и кислорода в металле не достигают равновесных. Такое положение объясняют тормозящим влиянием образования газообразной фазы –пузырьков СО. Исследователи отмечают, что для образования новой фазы должно выполняться следующее неравенство:

> (2.20)

где – парциальное давление оксида углерода в образующемся газовом пузыре;

Ратм – атмосферное давление в агрегате;

γмет и γшл – плотность металла и шлака;

hмem и hшл – толщина слоя металла и шлака над пузырем СО;

σ – поверхностное натяжение металла;

r – радиус пузыря.

При зарождении пузыря СО определяющим становится последний член выражения (2.20), в каком бы агрегате не протекал процесс. Облегчить пятую стадию можно лишь введением дополнительных газовых пузырей извне, например, газовые поры на футеровке, на твердом шлаке, вводимый газ для перемешивания металла – аргон, азот и другие приемы.