Окисление и восстановление кремния

Основы синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева металла

При управлении плавкой важно не просто окисление углерода и получение заданного содержания его в конечном металле, но и проведение этого процесса синхронно с процессом нагрева ванны.

В идеальных условиях, когда ванна не обменивается теплом с окружающей средой и в ней не протекают никакие другие процессы, кроме окисления углерода, относитель­ное изменение температуры ванны при окислении углерода Δ t _[c] можно определить по формуле

Δ t _[c] =Qt/(100×Cм+gшл×Cшл),

где Qt - тепловой эффект реакции окисления углерода при данных условиях, кДж/кг;

gшл - количество шлака, кг/100кг металла;

С - удельные теплоемкости металла и шлака, Дж/(кг К).

Поскольку См=0,84 кДж/(кг-К) и Сшл= 2,09 кДж/(кг-К), а количество шлака обычно составляет 10-15%, то уравнение примет вид: Δ t _[c] =0,009Qt.

Это означает, что синхронизация процессов обезуглероживания и нагрева металла в идеальных условиях возможна лишь из­менением теплового эффекта реакции окисления углерода.

Величина и знак теплового эффекта процесса окисления углерода могут изменяться в зависимости от источника кислорода. Основными источниками кислорода для окисления угле­рода являются: холодное дутье (кислородное или воздушное), окси­ды железа твердых окислителей (железной руды, агломерата, окаты­шей, окалины и т.п.), горячие печные газы:

Qt, кДж/кг [С] Δ t _[c],°C/%[C]

Холодное дутье:

воздушное....…………. +4450 +40

кислородное..... ……….+12500 +115

Нагретая атмосфера печи... 15000 +135

Холодный твердый окислитель –20000 -180

Окисление углерода газо­образным кислородом дутья или печных газов происходит с выделе­нием тепла, при этом чем выше температура нагрева кислорода, тем больше тепловой эффект реакции. Окисление углерода кислородом твердых окислителей является резко эндотермическим процессом

В реальных сталеплавильных процессах величина Δ t _[c]суще­ственно может отличаться от приведенных выше значений Δ t _[c]no ряду причин: происходит потеря тепла в окружающую ванну среду (нагрев футеровки, окружающего воздуха и т.п.), возможно проте­кание в ванне других экзотермических и эндотермических процес­сов, кроме окисления углерода.

Кремний при производстве стали используется в качестве раскислителя и легирующего элемента. Сталь, легированная кремнием, об­ладает более высокими значениями предела текучести, упругости, ударного сопротивления, хорошей прокаливаемостью, жароупорностью, способностью в за­каленном состоянии сохранять твердость при относительно высо­ких температурах и др.

Кремний, содержащийся в металлической шихте, во время плавки окисляется и теряется практически полностью. На ход плавки наличие кремния в шихте как правило, влияет положительно:

1. Это выражается в улучшении теплового баланса плавки, поскольку среди обычных примесей металлической шихты кремний окисляется с выделени­ем наибольшего количества тепла.

2. Кремнезем, получающийся в результате окисле­ния кремния в ванне, активнее вносимого в готовом виде и уско­ряет процесс формирования шлака.

Однако кремнезем, образующийся при окислении кремния ме­талла, оказывает разрушающее действие на основную футеровку. Кроме того, при очень высоком содержании кремния образуется большое количество шлака, которое не всегда является желательным, поэтому обычно устанав­ливаются пределы содержания кремния в чугуне.

Кремний является обязательной примесью чугуна и в том или ином количестве содержится в ломе. Обычно содержание кремния в металлической шихте довольно высокое (0,5-1,0%).

Растворенный в ме­талле кремний может окисляться кислородом:

а) содержащимся в газовой фазе [Si ] + О₂ газ = (SiO₂); ΔG = -775670 + 198Т, Дж/моль;

б) содержащимся в окислах железа шлака [Si] + 2 (FeO) == (SiO₂) + 2Fe; ΔG° = -300 000+98Т;

в) растворенным в металле [Si] + 2 [О] = SiO₂; ΔG° == -541 840 + 203 Т.

Все эти реакции сопровождаются выделениемочень большого количества тепла. Знак «плюс» перед энтропийными членами в уравнениях свободной энергии свидетель­ствует о том, что при повышении температуры могут создаваться благоприятные условия для восстановления кремния.

Полнота протекания реакции окисления кремния зависит от типа процесса, точнее, характера шлака, под которым проводится плавка.

В основных процессах кремнезем образует в шлаке прочные соединения: в начале плавки силикаты железа 2FeO∙SiO₂ и каль­ция CaO∙SiO₂, в дальнейшем двухкальцевый силикат кальция 2CaO∙SiO₂ по реакции (SiO₂) + 2(СаО) = 2СаО∙SiO₂. Благодаря протеканию этой реакции активность SiO₂ в шлаке становится очень низкой даже при высокой его концентрации и кремний в основных процессах окисляется практически полнос­тью еще в начале плавки, а по ходу плавки не восстанавливается, независимо от присутствия угле­рода и других обычных примесей чугуна и изменения температу­ры ванны.

В кислых процессах активность SiO₂ в шлаке во много раз выше, чем в основных процессах, поэтому с повышением температуры ванны к концу плавки происходит восстановление кремния из шлака по реакции

[Si] + 2 (FeO) == (SiO₂) + 2Fe,

в результате чегоостаточное содержание крем­ния в металле может достигать 0,3-0,4 %. Восстановителем кремния в кислых процессах может также являться углерод.

Обеспечение заданного содержания кремния в готовой стали

Как было показано выше, в основных процессах, имеющих в настоящее время решающее значение в производстве стали, ос­таточное содержание кремния в металле в конце окислительного рафинирования ничтожно мало (следы), поэтому кремний как по­лезная примесь в необходимом количестве вводится в металл после окончания окислительного рафинирования. Для этой цели обычно используют различные железокремнистые сплавы, называемые ферросилицием.