Металлургия » Металлургия стали » Окисление углерода

Окисление углерода

 (голосов: 0)
Окисление углерода

Углерод в стали - это ее самая распространенная полезная примесь. Содержание углерода как полезной примеси в стали обычно изменяется от 0,05-0,10 до 1,0-1,2%.
Углерод в твердом железе способен образовать пересыщенный раствор, т.е. оставаться в растворе в количествах, значительно превышающих растворимость. В результате атомы углерода занимают некоторые узлы в кристаллической решетке железа (феррита), что вызывает ее искажение и приводит к возникновению в ней напряжений, способствующих повышению прочности и твердости железа.
Углерод, содержащийся в исходной металлошихте, в основном в чугуне, оказывает решающее положительное влияние на ход и результаты окислительного рафинирования металла в любом агрегате. Это связано прежде всего с тем, что в течение всего этого периода углерод окисляется.
Во-первых, при окислении углерода выделяются газы СО и СО2. Это газовыделение обеспечивает интенсивное перемешивание ванны (металла и шлака), без которого сталеплавильные процессы в существующих вариантах нереализуемы. Кроме того, пузыри СО, проходя через жидкий металл, способствуют удалению из него газов и неметаллических включений.
Во-вторых, процесс окисления углерода газообразным кислородом протекает с выделением тепла, которое используется для нагрева ванны.
В-третьих, реакция окисления углерода [C]+(FeO)={CO}+[Fe] защищает железо от чрезмерного окисления во время его окислительного рафинирования, т.е. способствует уменьшению неизбежных потерь железа из-за его окисления.
В-четвертых, содержание углерода в металле и непрерывное его окисление являются основными факторами, определяющими содержание кислорода в металле, от которого зависит содержание оксидных неметаллических включений в готовой стали, т.е. ее качество.
Поведение углерода
Окисление углерода в сталеплавильных процессах в основном (на 85-90 %) протекает до {СО}. Сопутствующая ей реакция окисления углерода с образованием СО2 имеет второстепенное значение. Содержание CO2 не превышает 10-15 %.
Возможные реакции окисления углерода, растворенного в металле:
1. [С] + 1/2О2 = СОгаз; ΔG° = -152570 - 33,8Т; - идет с выделением тепла.
2. [С ] + (FeO) = Fe + СОгаз; ΔG° = +85 373 – 83,8Т; - протекает с поглощением тепла.
3. [С] + [О] = СОгаз; ΔG° = —35 630—31 Т; - с выделением тепла.
Если проанализировать изменение величины ΔG° при изменении температуры, то окажется, что во всех случаях значение ΔG° с повышением температуры уменьшается, т. е. ее повышение благоприятствует протеканию реакции окисления углерода.
Константа равновесия реакции [С] + [О] = {СО} в общем случае определяется выражением Кс = Pco/(a[c]a[o]). При концентрациях углерода до 1%, а кислорода до 0,08% коэффициенты их активности примерно равны единице, поэтому Кс=Рсо/([С]•[О]).
Поскольку значение теплового эффекта реакции мало, им можно пренебречь. Тогда для любой температуры Рсо/([C]-[О])=const.
В конце сталеплавильного процесса при температуре 1600 0С для открытых агрегатов (Рсо= 1 кг/см2), можно считать, что Кс = 402, тогда
[C]∙[О]=Рсо/Кс=Рсо/402=0,0025Рсо=0,0025.
Это означает, что в рассматриваемых условиях равновесное остаточное содержание углерода в металле зависит только от концентрации кислорода, причем чтобы получить [С]min, необходимо обеспечить [О]max.
Окисление углеродаРисунок 3 – Взаимосвязь содержания кислорода и углерода в стали: А — равновесное для реакции обезуглероживания при 1600° С; Б — фактическое в стали; В — равновесное по отношению к сталеплавильным шлакам










Теоретически возможное максимальное содержание кислорода (см. рисунок 3) при температурах конца сталеплавильных процессов [О]= 0,20-0,25%. Приняв среднее значение [О]= 0,23% и подставив его в уравнение, получим [С]MIN= 0,0025/0,23 = 0,01%, т. е. в открытом сталеплавильном агрегате невозможно получить содержание углерода 50% оксидов железа, поэтому максимальное содержание кислорода в металле составляет 0,10-0,12% и минимальное остаточное содержание углерода не бывает меньше 0,02%. Получение такого низкого содержания углерода в металле является нежелательным, так как приводит к резкому снижению выхода годного ввиду чрезмерного окисления железа и повышенному износу футеровки агрегата.
В современной практике производство стали с содержанием < 0,02% С получает большое развитие. В этих случаях в открытых агрегатах обычно достигают остаточного содержания углерода 0,025-0,040%. Дальнейшее снижение содержания углерода в металле достигают обработкой жидкой стали вакуумом и нейтральным газом.

Общие принципы достижения заданного содержания углерода в готовой стали.
1 Неизбежное непрерывное окисление этой примеси в течение всего периода окислительного рафинирования.
2 Для достижения заданного содержания углерода в готовом металле необходимо иметь определенный запас углерода в исходной шихте (превышение исходного содержания над конечным) и рационально расходовать этот запас в период окислительного рафинирования.
3 Плавка должна быть проведена так, чтобы имеющийся запас углерода был израсходован точно в течение того времени, которое требуется для решения других задач, кроме окисления углерода: нагрева, дефосфорации и десульфурации металла и т.п.

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 Δt[c] можно определить по формуле
Δt[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: Δt[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] Δt[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 Δt[c] существенно может отличаться от приведенных выше значений Δt[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.
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики