Распределение элементов между металлом и шлаком

Распределение элементов-примесей жидкого металла или какого-либо металла (элемента) между металлической и шлаковой фазами зависит от химического сродства элементов к кислороду, состава шлака, взаимодействие элементов между собой в металле и шлаке, температуры.

Влияние химического состава шлака связано с химическими свойствами оксида, образующегося при окислении элемента-примеси.

Влияние температуры проявляется в зависимости от знака теплового эффекта реакции окисления примеси и перехода оксида в шлак, который, как правило, положителен (ΔН < 0).

Охарактеризовать распределение элементов, происходящее вследствие химической реакции между металлом и шлаком, можно при помощи коэффициента распределения вещества L_i.

Этот показатель при определенных условиях может быть количественной характеристикой распределения примеси вследствие окислительной реакции с изменением электронного состояния этой примеси при переходе из одной фазы в другую.

Выразить равновесный показатель распределения можно из константы равновесия реакции окисления элемента, происходящее, например, при взаимодействии контактирующих фаз металлического и шлакового расплавов:

x [Э] + y (FeO) = (Э_xO_y) + y [Fe]; (8.1)

. (8.2)

С учетом (8.2) коэффициент распределения элемента [Э] выразится в виде:

. (8.3)

Анализ уравнения (8.3) позволяет выявить условия перевода элементов из одной фазы в другую: из металла в шлак или наоборот. Ниже рассмотрены примеры распределения некоторых элементов между металлом и шлаком.

Для кремния равновесие реакции межфазного распределения выразится как

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂) + 2[Fe]; (8.4)

. (8.5)

Условия максимального перехода кремния из металлического в шлаковый расплав будут следующие:

1) понижение температуры, позволяющее увеличить величину К_Si, так как для данной химической реакции ΔН < 0;

2) увеличение активности (FeO) в шлаке и окисленности металла [%O];

3) уменьшение коэффициента активности частиц, содержащих Si, в шлаке;

4) увеличение активности Si в металлическом расплаве.

Условия 2 и 3 выполняются при определенной основности шлака: повышение % CaO снижает коэффициент активности частиц, содержащих Si за счет их группировок с ионами Ca²⁺.

Кремний обладает высоким сродством к кислороду, для него выше, чем у марганца и фосфора при прочих равных условиях.

При образовании оксидов фосфора проявляется, прежде всего, их кислотный характер; равновесие реакций в различных формах может быть представлено в виде:

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4(CaO)·(P₂O₅)) + 5[Fe]; (8.6)

(8.7)

Активность частиц, содержащих фосфор в шлаке, уменьшается при повышении содержания CaO, что связано с образованием группировок типа 4CaO·P₂O₅. Из анализа (8.6) и (8.7) следует, что для более полного перевода фосфора из металла в шлак необходимо повысить и концентрацию FeO, а также CaO. При этом наибольшее влияние одной из этих величин проявляется при повышенных значениях другой.

Условиями максимального перевода фосфора из металла в шлак являются:

1) увеличение активности FeO (ионов Fe²⁺ и О^2-) в шлаке, что позволяет получить окисленную форму фосфора (P₂O₅);

2) повышение содержания CaO и основности шлака, что позволяет снизить активность частиц в оксидном расплаве, содержащих фосфор;

3) понижение температуры: данный фактор следует учитывать при прочих равных условиях, так как повышение температуры в современных окислительных процессах не снижает возможности удаления фосфора при получении более основных дофосфорирующих шлаков;

4) присутствие в металлическом расплаве элементов, имеющих положительные параметры взаимодействия с фосфором (углерод, кремний, кислород).