Системи технологій промисловості (стр. 3 )

При повышении температуры равновесная реакция, протекающая с поглощением тепла, сдвигается в сторону увеличения продуктов реакции. Понижение температуры сдвигает реакцию в сторону увеличения концентраций реагирующих веществ. Для реакции, протекающей с выделением тепла, закономерности будут противоположными. Влияние давления на смещение равновесия химической реакции зависит от количества газообразных молекул в левой и правой частях уравнения реакции. Повышение давления вызывает сдвиг равновесия химической реакции в сторону уменьшения числа газообразных молей. Если реагирующие вещества и продукты реакции занимают одинаковый объем (реакция идет без изменения числа газообразных молей), то изменение давления не вызывает сдвига равновесия.

Закон распределения. Для металлургии закон распределения имеет большое практическое значение. Суть его заключается в следующем. Если в систему, состоящую из двух несмешивающихся жидкостей, т. е. представляющую собой два жидких слоя, ввести небольшое количество третьего компонента, способного растворяться в обеих жидкостях, то он распределяется между ними в соответствии с законом распределения. Отношение концентраций третьего компонента в двух жидких фазах, находящихся в равновесии, для данной температуры является величиной постоянной. Примером такой системы может служить металлическая ванна, шлак и растворенные в них элементы (Si; Мn; S; Р; О2 и т. д.). Применительно к этой металлургической системе закон распределения можно представить выражением L = (М)/[M], где L - коэффициент распределения; (М) и [М] - концентрации элемента в шлаке и металле соответственно. Закон распределения лежит в основе процессов удаления кислорода, серы, фосфора из жидкого металла в шлак при производстве стали. Любые способы снижения их концентрации в шлаке (скачивание шлака, связывание в прочные химические соединения и т. п.) должны привести к уменьшению их содержания в стали.

1.2.1. Состав, свойства и роль шлака в процессе производства стали

Роль шлаков в процессе производства стали исключительно велика. Шлаковый режим, определяемый количеством, составом и свойствами шлака, оказывает большое влияние на качество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих металлической части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на кислотные (SiO2; P2O5; TiO2; V2O5 и др.), основные (CaO; MgO; FeO; MnO и др.) и амфотерные (Аl2О3; Fe2O3; Cr2O3, V2O3 и др.) оксиды. Важнейшими компонентами шлака, оказывающими основное влияние на его свойства, являются оксиды SiO2, CaO.

Важнейшими свойствами шлака являются основность (кислотность) и окислительная способность. Простейшей оценкой основности может служить соотношение содержащихся в шлаке (СаО) и (SiO2), взятых в процентах по массе или мольных долях. Для основных шлаков (СаО)/(SiO2) > 1; для кислых шлаков (CaO)/(SiO2) < 1. Шлаки с отношением (CaO)/(SiO2)~1 называют нейтральными.

Содержание в шлаке оксидов железа, в частности FeO, определяет его окислительную способность.

Важнейшими физическими свойствами шлака являются его вязкость и плотность. Вязкость шлака зависит от химического состава и температуры. От вязкости шлака в значительной степени зависит его активность. Главным фактором, влияющим на жидкоподвижность шлака при постоянной температуре, является его основность. С повышением основности жидкоподвижность шлака уменьшается.

Шлак выполняет несколько важных функций в процессе выплавки стали:

- связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак;

- во многих сталеплавильных процессах шлак служит передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу;

- в мартеновских и дуговых сталеплавильных печах через шлак происходит передача теплоты металлу;

- шлак защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи.

Для того, чтобы шлак мог успешно выполнять свои функции, он должен в различные периоды сталеплавильного процесса иметь определенный химический состав и необходимую текучесть (величина, обратная вязкости). Эти условия достигаются использованием в качестве шихтовых материалов плавки расчетных количеств шлакообразующих - известняка, извести, плавикового шпата, боксита и др.

1.2.2 Металлический расплав

Металлический расплав содержит различные примеси (С, Si, Mn, Ni, Cr, O, P, S и др.), которые по форме существования в железе можно разбить на группы:

- Mn, Ni, Cr и др. Размеры их атомов и железа отличаются незначительно (до 10-15%). Такие примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой в твердом, образуя с железом твердые растворы типа замещения;

- С, N, H. Радиусы их атомов меньше, чем у железа в 2-4 раза; они образуют твердые растворы типа внедрения. Углерод с железом, а также с другими металлами дает химические соединения - карбиды, азот – нитриды, водород – гидриды.

- Si, P. В жидком железе их растворимость неограничена, а в твердом – значительна. С железом образуют довольно прочные соединения: кремний – силициды, фосфор - фосфиды.

- О, S. Оба элемента обладают малой растворимостью в твердом железе (~0,01 % О, ~0,015 % S). В жидком железе кислород растворяется ограниченно (~0,23 % при 1600 0С), а S - значительно. С железом образуют прочные соединения: кислород – оксиды, сера – сульфиды.

1.3 Важнейшие реакции сталеплавильных процессов

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

·  передача кислорода металлу из окисляющей фазы;

·  окислительные реакции;

·  удаление из металла продуктов реакции в отдельную фазу.

1.3.1 Окисление углерода

В современных сталеплавильных процессах главным компонентом металлической шихты является твердый или жидкий чугун, содержание углерода в котором всегда значительно выше, чем в готовой стали. В связи с этим, сталеплавильные процессы сопровождаются процессом удаления избыточного углерода из металла. Выделение из ванны пузырей газа, представляющего продукт окисления углерода, сопровождается интенсивным перемешиванием ее, ускорением процессов тепло - и массообмена, дегазации металла и удаления из него неметаллических включений.

Растворенный углерод в железе условно обозначают [С]. Продуктом реакции окисления углерода в расплаве является преимущественно монооксид углерода СО, хотя при низких концентрациях углерода в металле возможно образование незначительных количеств диоксида углерода СО2. Схематически можно представить реакцию окисления углерода в виде

[С] + [О] = {СО}.

Константу равновесия реакции можно определить из следующего выражения

.

Для низких концентраций исходных компонентов приближенно считают значения и равными единице. Тогда при = 1 имеем Кр = 1/[С].[О], а так как 1/Кр = const, то произведение [С].[О] при данной температуре постоянно, его обозначают символом m, т. е. [С].[О] = m. Чем выше содержание углерода в металле, тем ниже содержание кислорода и наоборот. Однако в реальных условиях реакция окисления углерода равновесия не достигает и фактическое содержание кислорода в металле выше, чем равновесное.

Выделение оксида углерода возможно, если созданы условия, облегчающие зарождение пузырей СО. Такими условиями могут быть продувка металла кислородом или воздухом и наличие шероховатости на поверхности огнеупорной футеровки, контактирующей с жидким металлом. В этих случаях имеются готовые газообразные полости с развитой поверхностью раздела газ-металл, в которые выделяется монооксид углерода СО, как продукт взаимодействия углерода и кислорода вблизи этой поверхности. Выделяющийся пузырь должен преодолеть давление, представляющее собой сумму давлений – атмосферы печи, столба шлака, столба металла и силы поверхностного натяжения σ расплава, т. е. , где r - радиус пузыря монооксида углерода.

Снижение внешнего давления (создание разрежения над металлом) в соответствии с принципом Ле-Шателье приводит к смещению равновесия реакции [С] + [О] = {СО} в сторону образования продукта реакции. В равновесных условиях при этом окажется более низкая концентрация кислорода в металле, а углерод становится хорошим раскислителем.

1.3.2 Окисление кремния

Кремний растворяется в железе в любых соотношениях, обладает большим сродством к кислороду и практически полностью окисляется уже в период плавления. Окисление кремния сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому иногда кремний является основным элементом, в результате окисления которого происходит нагрев металла (бессемеровский процесс). Окисление кремния происходит по реакциям

[Si] + 2[О] = (SiO2) + Q; [Si] + 2 (FeO) = (SiO2) + 2[Fe] + Q.

При плавке под основным шлаком СаО/SiO2>2 окисление кремния происходит практически необратимо из-за связывания продукта реакции в прочный силикат кальция 2CaO·SiO2. При горячем ходе кислого процесса имеет место значительное восстановление кремния.

1.3.3 Поведение марганца

Марганец по своим свойствам близок к железу, растворяется в нем в любых соотношениях, образуя раствор, очень близкий к идеальному. При низких температурах сталеплавильного процесса в окислительных условиях марганец окисляется с выделением теплоты, переходя в шлак. Реакции окисления марганца можно представить в виде