8.3. Реакция окисления
В процессе продувки подаваемый в конвертер кислород окисляет избыточный углерод, а также кремний, большую часть марганца и некоторое количество железа. Окисление примесей жидкого металла — углерода, кремния и марганца, можно представить следующими результирующими реакциями:
[С] + 1/2О2 = СО; [Si) + О2 = (SiO2);
[Мn] + 1/2О2 = (МnО).
Однако в результате непосредственного взаимодействия с газообразным кислородом окисляется лишь незначительная часть примесей. Окисление большей части примесей протекает по двухстадийной схеме: вначале в подфурменной зоне контакта кислородной струи с металлом окисляется железо: Fе + 1/2О2 = FеО (его окисление объясняется тем, что концентрация железа в несколько десятков раз выше концентрации других элементов, поэтому с вдуваемым кислородом прежде всего контактируют атомы железа); образующаяся FеО растворяется частично в металле: FеО-> [О] + Fе и частично в шлаке: FеО-> (FеО). Затем протекает вторая стадия — окисление углерода, кремния, марганца, кислородом, растворенным в металле [О] и шлаке (FеО). Соответственно окисление, например, углерода идет по следующим схемам:
1) Fе+1/2O2=(FеО); [С] + (FеО) =СО + Fе;
2) Fе+1/2O2= [O]+Fе; [С] + [О]=СО.
Таким образом, для продувки в конвертере характерно прямое окисление железа в зоне контакта кислородной струи с металлом (в «первичной подфурменной зоне») и окисление прочих составляющих металла в результате вторичных реакций на границе с первичной реакционной зоной и в остальном объеме ванны.
Окисление кремния и марганца так же, как и углерода, начинается с момента подачи кислорода (рис. 41), причем весь кремний и большая часть марганца окисляются в первые минуты продувки. Более быстрое их окисление по сравнению с углеродом объясняется тем, что при сравнительно низких температурах в начале продувки (1300—1450 °С) кремний и марганец обладают большим химическим сродством (см. рис. 1) к кислороду, чем углерод.
Окисление кремния заканчивается в первые 3—5 мин продувки и в дальнейшем по ходу плавки жидкий металл практически кремния не содержит. Реакция окисления кремния протекает до его полного израсходования и является необратимой, поскольку продукт окисления SiO2 (кислотный оксид) связывается в основном конвертерном шлаке в прочное соединение 2СаО* SiO2.
Интенсивное окисление марганца наблюдается в начале продувки, когда при низких температурах его химическое сродство к кислороду велико; к 3—5 мин продувки окисляется ~ 70 % марганца, содержащегося в чугуне.
Рис. 41. Изменение состава металла и шлака по ходу продувки кислородом сверху (Мn'и МnО'—значения, характерные для передела маломарганцовистого чугуна, τпр — продолжительность продувки.
В дальнейшем поведение марганца определяется равновесием экзотермической реакции:
[Мn] +(FеО) = (МnО) +Fе + 123360 Дж/ моль.
В соответствии с этой реакцией отмечаются (см. рис. 41) следующие особенности поведения марганца: при уменьшении содержания FеО в шлаке во второй половине продувки содержание марганца в металле возрастает, т. е. марганец восстанавливается из шлака; в конце продувки, когда вследствие усиливающегося окисления железа содержание оксидов железа в шлаке возрастает, наблюдается вторичное окисление марганца. Конечное содержание марганца в металле зависит прежде всего 6т его содержания в чугуне и возрастает при повышении температуры металла в конце продувки и снижении окисленности шлака (оно находится в пределах от 0,3—0,35 до 0,03—0,05%; нижний предел — при переработке маломарганцовистых чугунов).
Окисление углерода. Углерод в кислородном конвертере окисляется преимущественно до СО; до СО2 окисляется ~ 10 % углерода, содержащегося в чугуне. Скорость окисления углерода по ходу продувки (рис. 42, а); существенно изменяется.
Рис. 42. Изменение скорости окисления углерода Vс по ходу продувки τпр а — без пульсаций; б — с пульсациями
В начале продувки она невелика (0,1—0,15% С/мин), поскольку часть вдуваемого кислорода расходуется на окисление кремния и марганца, имеющих высокое химическое сродство (см. рис. 1) к кислороду при низких температурах. В дальнейшем, вследствие увеличения химического сродства углерода к кислороду при повышении температуры (см. рис. 1) и уменьшении расходования кислорода на окисление марганца и кремния скорость обезуглероживания возрастает и затем остается в течение длительного времени почти постоянной. В этот период весь вдуваемый кислород расходуется на окисление углерода и достигаемая скорость обезуглероживания (0,45—0,5 %/ мин и иногда более) определяется интенсивностью подачи кислорода. В конце продувки скорость обезуглероживания вновь снижается вследствие уменьшения содержания углерода в металле.
По ходу продувки зачастую происходят пульсации скорости окисления углерода (чередующиеся кратковременные подъемы и спады относительно среднего значения, рис. 42, б). Эти пульсации значительны на плавках с холодным началом процесса и повышением при этом окисленности шлака. Сильные пульсации скорости окисления углерода обычно вызывают выбросы металла и шлака из конвертера.
Роль реакции обезуглероживания в кисло-родно-конвертерной плавке велика. Это объясняется следующим: 1) окисление углерода дает большую часть тепла для нагрева ванны; 2) длительность окислёния углерода опре-деляет длительность продувки; 3) выделяющиеся пузыри СО обеспечивают перемешивание ванны, благодаря чему выравниваются состав и температура, ускоряется нагрев металла; 4) вследствие перемешивания металла и шлака ускоряются дефосфорация и десульфурация и др.; 5) с пузырями СО удаляются растворенные в металле вредные газы — водород и азот; 6) пузыри СО вспенивают ванну, благодаря чему могут возникать выбросы. (