Раздел: Десульфурация стали шлаковыми смесями

Процесс десульфурации можно представить уравнением реакции:

[S] + (CaO) = (CaS) + [O]

Константа равновесия реакции равна: k_p = (1)

В результате можно записать:

[S] = (2)

Выразим значение X_CaS - мольную долю сульфида кальция в шлаке через концентрацию серы, тогда X_CaS = (3)

где - сумма молей компонентов шлака - CaO, CaS, SiO₂, Ai₂O₃ и др. в 100 г. шлака. Подставляя выражение (3) в ур-ние (2) получим:

(4)

В результате логарифмирования ур-ния (4) получаем:

lg L_S = lg (5)

В этом ур-нии первое слагаемое является величиной постоянной при неизменной температуре, второе слагаемое определяется основностью шлака, а третье - активностью кислорода и коэффициентом активности серы в расплаве.

При рафинировании простых, не легированных сталей можно принять значение f_S = 1 и ур-ние (5) запишется в виде:

(6)

При экспериментальном изучении распределения серы между жидким металлом и шлаками системы CaO - MgO - Al₂O₃ - SiO₂ для коэффициента распределения серы L_S получили эмпирическое уравнение, имеющее ту же структуру, что и уравнение (6)

(7)

Эффективность процесса десульфурации обычно оценивают степенью десульфурации - (в долях) . Выведем соотношение между L_S и . Для этого запишем два уравнения:

где: m_ме и m_шл массы металла и шлака при обработке стали в ковше.

Из ур-ния (9) получаем:

m_ме×([S]_H - [S]_K) = m_шл×(S)_K = m_шл×L_S×[S]_K. (9)

Поделив выражение в уравнении (9) на [S]_H получим:

m_ме = m_шл×L_S (10)

Введем в ур-ние (10) величину кратности шлака (в долях) тогда получаем из ур-ния (10):

Принимая , имеем: ; и тогда: ; или (11)

Таким образом соотношение между и L_S имеет вид: (12) (в долях или в процентах при умножении на 100).

Из анализа ур-ния (7):

следует, что величина L_S - коэффициента распределения серы между рафинировочным шлаком и металлом определяется в основном двумя факторами:

а) основностью шлака

б) активностью кислорода в металле в процессе рафинирования шлаком в ковше.

Существенное влияние на величину L_S должна оказывать величина a_O. Учитывая, что одновременно с рафинированием стали шлаком происходит процесс ее раскисления ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, необходимо предварительно рассчитать значение a_O в раскисленном металле. При получении конструкционного металла элементом, определяющим величину a_O в стали является алюминий, содержание которого для этого класса сталей составляет в среднем 0,05 %. По величине K_Al=[Al%]²×[a_O]³ можно рассчитать равновесную с алюминием активность кислорода - a_O. Однако, при этом необходимо иметь в виду, что используемое для расчета a_O значение K_Al будет различным при обработке в ковшах с различной огнеупорной футеровкой; что было установлено экспериментально с использованием кислородных зонтов для измерения активности кислорода [1]. Результаты этих исследований представлены в таблице № 1.

Таблица 1

Значения K_Al=[Al]²×[a_O]³

	Кислая, шамотная футеровка	Высокоглиноземистая, смолодоломитовая
	без SiCa	с добавкой SiCa	без SiCa	с добавкой SiCa
Величина KAl	10-12	10-12,5	10-13	10-13,5

Ниже представлены расчеты коэффициента распределения серы при обработке стали в сталеразливочных ковшах синтетическими шлаками и ТШС.