Окисление углерода

Окисление углерода является важнейшим процессом при производстве стали. По отношению к другим элементам окисление углерода происходит в последнюю очередь. Этот процесс описывается уравнением

[ C ] + [ O ] = { CO }, ∆H = - 34,7 кДж.

В результате реакции образуется газообразный СО, который в виде пузырьков удаляется из ванны в печную атмосферу и вызывает так называемое «кипение» ванны. Это означает, что выгорание всех помесей, кроме углерода, окончено и начинает выгорать углерод, который таким образом восстанавливает железо из оксида FeO, содержащегося в расплавленном металле.

В результате протекания реакции окисления углерода нарушается равновесие между содержанием FeO в шлаке и расплаве. В соответствии с законом распределения начинается диффузия FeO из шлака в расплав. Процесс диффузии FeO эндотермический (∆H = 114, 9 кДж).

В целом процесс окисления углерода можно описать уравнениями:

(FeO) → [ FeO ],

[ FeO ] + [ C ] = [ FeO ] + [ CO ],

[ CO ] → { CO }.

Результирующая реакция

(FeO) + [ C ] = [ Fe ] + { CO }.

В связи со значительным эндотермическим эффектом перехода FeO из шлака в расплав реакция окисления углерода является эндотермической.

Лимитирующим фактором реакции обезуглероживания является скорость диффузии FeO из шлака в расплав. Кроме FeO в процессе выгорания углерода в металлической ванне принимает участие растворенный в ней оксид марганца MnO:

[ MnO ] + [ C ] = [ Mn ] + { CO }.

Концентрация MnO в расплаве снижается, равновесие между MnO в шлаке и расплаве нарушается, и MnO переходит из шлака в расплав.

С повышением температуры скорость окисления углерода увеличивается. При повышении температуры повышается сродство углерода к кислороду. Следовательно, при высоких температурах углерод может восстанавливать почти все оксиды.

Кипение ванны, обусловленное реакцией окисления углерода, оказывает исключительное влияние на качество металла. При плавке стали необходимо, чтобы кипение ванны было интенсивным и достаточной продолжительным. В процессе кипения из ванны удаляются газы, включения, интенсифицируется теплообмен, быстрее перемещаются реагирующие вещества, благодаря чему быстрее протекают металлургические реакции.

Для обеспечения интенсивности кипения ванны необходимо, чтобы она содержала достаточное количество углерода и кислорода и была нагрета до высокой температуры (более 1500…1510°С). Если в ванне мало углерода, то очень трудно разогреть ванну до необходимой температуры. Поэтому для повышения температуры ванны и перевода ее в состояние кипения в нее добавляют С и Mn в виде передельного или зеркального чугуна.

Благоприятные условия для окисления углерода наступают, когда в ванне закончится окисление Si, Mn, P. В этот период кипение ванны интенсифицируется путем добавления в неё кислорода.