Влияние атмосферы агрегата

Атмосфера агрегата может иметь окислительный или восстановитель­ный характер. Если атмосфера агрега­та окислительная, то развитие получат окислительные процессы; в восстано­вительной атмосфере (как, например, в доменной печи) будут развиваться восстановительные процессы. Атмос­фера агрегата может служить источни­ком вредных примесей металла (водо­рода, азота, серы), попадание которых в ванну нежелательно. Так как в лю­бом топливе (угле, мазуте, природном газе и т. п.) содержатся углерод и во­дород и при сжигании топлива образу­ются Н₂0, СО, СО₂, в составе атмос­феры (если в агрегат подают топливо) оказываются газы, содержащие кисло­род и водород. Если сжигаемое топли­во содержит серу, то в газах она также будет присутствовать (обычно в виде SO₂). При подаче в сталеплавильный агрегат атмосферного воздуха (для сжигания топлива или для продувки ванны) в газах содержится также и азот. Определенное количество (иног­да до 1 %) азота всегда присутствует в газообразном кислороде, используе­мом для продувки ванны.

В большинстве сталеплавильных агрегатов атмосфера окислительная, т. е. имеет место непрерывный пере­ход кислорода из атмосферы в металл. Это объясняется тем, что парциальное давление кислорода дутья, например, в конвертере >1ООкПа, в воздухе -20 кПа, в продуктах сгорания в ра­бочем пространстве подовых печей 1—10 кПа, а парциальное его давле­ние, равновесное с кислородом, ра­створенным в металле, колеблется в зависимости от содержания углерода, температуры металла и других факто­ров от I0 ^-3 до 10 ^-5 Па. Таким образом, p^a_O2/p_O2^равн=10⁶ —10⁷

Количество кислорода, перешед­шего за время плавки в ванну, может быть значительным. Так, в мартенов­ских и электропечах (при использова­нии в них топливно-кислородных го­релок) из атмосферы печи в металл переходит (и расходуется на окисле­ние железа и примесей) в зависимости от типа процесса, состава шихтовых материалов и продолжительности плавки от 5 до 30 кг, а в кислородных конвертерах — от 50 до 80 кг кислоро­да на 1 т стали.

11.1.1. Переход кислорода из газо -вой фазы в металл. Передача кислоро­да из газовой фазы через шлак в ме­талл может осуществляться следую­щим образом:

а) в результате непосредственного контакта окислительной фазы (О₂, СО₂, Н₂О) с металлом, как это имеет место при продувке ванны воздухом или кислородом, а также в тех случаях, когда металл в печи не покрыт шла­ком (при завалке шихты и в начале плавления, при интенсивном кипе­нии, на выпуске, во время разливки и т.п.);

б) при помощи корольков (капель) металла, всегда в больших или мень­ших количествах имеющихся в шлаке: 1) корольки, окисляясь на поверхнос­ти контакта с газовой фазой, при пе­ремешивании ванны попадают в ме­талл и переносят кислород; 2) при ин­тенсивном кипении заметная доля ме­талла за время кипения успевает побывать в шлаке в виде корольков и окислиться, в результате чего соответ­ствующим образом изменяется состав ванны;

в) вследствие перехода кислорода из газовой фазы в металл через шлак. Этот процесс состоит, по крайней мере, из трех звеньев: 1) «окисление» частиц шлака на поверхности газ-шлак; 2) перенос кислорода через слой шлака; 3) переход кислорода в металл на границе металл—шлак.

На границе атмосфера печи-шлак происходит окисление FeO шлака:

2(FeO)+{1/2О₂ (или Н₂О, или 1/2СО₂)} →Fe₂0₃;

О_адс +2Fe²⁺_ш +3О^2-_ш →2FеO ^-ш.

Например, отбор проб шлака из мартеновской печи на различных уровнях по высоте показывает, что в верхних слоях содержится больше Fe₂O₃ и меньше FeO, чем в нижних. В тех случаях, когда имеет место вспе­нивание шлака, различие в химичес­ком составе шлака по высоте может быть значительным. Выравнивание состава шлака по высоте происходит в результате диффузии и перемешива­ния. На скорость этого процесса за­метно влияет гетерогенность шлака. Поскольку коэффициент диффузии D и вязкость шлака связаны соотно­шением D ~ const, гетерогенность шлакового расплава тем больше, чем больше его вязкость и, следователь­но, меньше коэффициент диффузии D и ниже скорость массопереноса ок­сидов железа в шлаковом слое. По мере снижения гетерогенности шлака вязкость его уменьшается и состав по высоте выравнивается.

Металл практически всегда содер­жит кислорода меньше, чем по усло­виям равновесия со шлаком. Этот градиент концентраций определяет пере­ход кислорода через межфазную гра­ницу шлак—металл. Процесс переноса кислорода из шлака в металл обычно записывается в виде:

(Fe₂O₃)+Fe=3(FeO),

(FеО) → [О]+Fе_ж,

или

2FeO₂ +Fe=3Fe²⁺ +4O_ш^2-,

Fе_ш²⁺+О_ш^2- =[0]+Fе_ж.

Обобщенная схема передачи кис­лорода из окислительной атмосферы через шлак в металл представлена на рис. 11.1. Скорость процесса перехода кислорода из шлака через границу шлак—металл значительно выше, чем интенсивность обычной молекуляр­ной диффузии в шлаке, и не лимити­рует процесса передачи кислорода. Выравнивание этих скоростей проис­ходит вследствие значительного уско­рения диффузии в результате интен­сивного перемешивания выделяющи­мися из металла газами при кипении ванны. Однако интенсивность снаб­жения металла кислородом через шлак значительно ниже, чем при непосред­ственном контакте между металлом и окислительной атмосферой. Этим, в частности, объясняются значительно более высокие скорости окисления примесей в конвертерных процессах, где окислитель вступает в контакт не­посредственно с металлом. Интенси­фикация процессов окисления дости­гается также введением кусков руды в результате непосредственного контак­та их с металлом.

Рис. 11.1. Схема передачи кислорода из газовой фазы через шлак в металл 114

11.1.2. Продувка металла кислоро­дом или воздухом. При продувке ме­талла воздухом или кислородом в со­став атмосферы агрегата входит также конгломерат пузырей О₂, N₂, CO и т.д., проходящих через ванну. При малой интенсивности продувки пузы­ри газа пронизывают толщу металла; по мере повышения интенсивности продувки капли металла оказываются взвешенными в потоке газа. В первом случае при невысокой температуре и повышенной вязкости металла через металл будут проходить крупные пу­зыри, запас кислорода в которых дос­таточен для окисления всех атомов железа и его примесей, находящихся на поверхности пузырей. При этом окисляется преимущественно железо, так как число атомов железа значи­тельно больше общего числа атомов примесей (углерода, кремния, марган­ца и т. д.). По мере увеличения интен­сивности продувки, повышения тем­пературы металла и понижения его вязкости размеры пузырей, пронизы­вающих металл, могут уменьшиться настолько, что количество содержа­щегося в таком пузыре кислорода не­достаточно для окисления атомов же­леза и его примесей, условно располо­женных на поверхности такого пузы­ря. Такое состояние называют состоянием «кислородного голода».На основании расчетов установлено,что при радиусе пузырей10^-2—10 ^-3 см кислородный голод уже наблюдается и окисление примесей происходит в соответствии с их химическим срод­ством к кислороду.