1.2 Основные реакции сталеплавильных процессов.

Сталь получают из чугуна и лома методом окислительного рафинирования (т. е. очищения). Кислород для окисления содержащихся в них примесей (углерода, марганца, кремния, фосфора и др.) поступает либо из атмосферы, либо из железной руды или других окислителей, либо при продувки ванны газообразным углеродом.

1.2.1 Окисление углерода.

Особенность окисления углерода заключается в том, что продуктом этой реакции является газообразный СО, который, выделяясь из металлической ванны в виде пузырей, создает впечатление кипящей жидкости. Реакцию окисления углерода, растворенного в металле можно написать в следующем виде:

[C] + [O] = {CO}; K = 

где [C]; [O] - концентрации растворенных в металле углерода и кислорода.

Как следует из уравнения для константы, при заданном значении р_со произведение концентрации углерода и растворенного кислорода есть величина постоянная. Следовательно, от концентрации углерода зависит концентрация кислорода в металле. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже содержание кислорода в нем и наоборот.

1.2.2 Окисление и восстановление марганца.

Марганец как элемент, обладающий высоким сродством к кислороду, легко окисляется как при кислом, так и при основном процессах. Реакции окисления и восстановления марганца можно представить следующим образом:

[Mn] + [O]  (MnO); [Mn] + (FeO)  (MnO) + [Fe]

Как показывают расчетные и экспериментальные данные, с повышением температуры и основности шлака концентрация марганца в металле увеличивается. Это указывает на то, что реакция окисления марганца достигает равновесия, и окислительный процесс сменяется восстановительным. Поскольку почти все стали содержат марганец, то его восстановление в процессах плавки - явление желательное.

1.2.3 Окисление и восстановление кремния.

Кремний обладает еще большим сродством к кислороду, чем марганец, и практически полностью окисляется уже в период плавления. Окисление кремния происходит по реакциям:

[Si] + 2[O] = (SiO₂); [Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2 [Fe]

При плавке под основным шлаком SiO₂ связывается в прочный силикат кальция (CaO)₂•SiO₂, что обеспечивает почти полное окисление кремния, содержащегося в шихте. При кислом процессе поведения кремния иное: при горячем ходе кислого процесса имеет место интенсивное восстановление кремния.

1.2.4 Окисление и восстановление фосфора.

 Фосфор в стали является вредной примесью, отрицательно влияющей на ее механические свойства. Поэтому содержание фосфора в стали в зависимости от ее назначения ограничивается пределом 0,015 - 0,016 %. Окисление фосфора можно представить следующим образом:

2[P] + 5(FeO) = (P₂O₅) + 5[Fe];

(P₂O₅) + 3(FeO) = (FeO)₃• P₂O₅;

(FeO)₃•P₂O₅ + 4(CaO) = (CaO)₄•P2O5 + 3(FeO);

2P + 5(FeO) + 4(CaO) = (CaO)₄•P₂O₅ + 5Fe.

Уравнение константы можно записать в следующем виде:

K = 

1.2.5 Десульфация стали.

Сера, также как и фосфор, является вредной примесью в стали. Удаление серы можно представить в виде реакции

Fe_ж + [S] +(CaO) = (CaS) + (FeO).

Уравнение для константы имеет вид:

К = 

Коэффициент распределения серы:

L = (S)/[S] = K(CaO)/(FeO).

Из уравнения следует, что повышение основности и снижение окисленности шлака способствует десульфации. Положительную роль оказывает также повышение температуры металла и активное перемешивание ванны. Повышению степени удалении серы способствуют элементы, образующие сульфиды, более прочные, чем сульфид железа. К таким элементам относятся редкоземельные металлы.