3.3. Реакция окисления кремния
Кремний сплавляется с железом в любых соотношениях, образуя соединения FeSi. Вследствие высокой активности по отношению к кислороду используется как раскислитель, по той же причине при выплавке стали находящийся в шихте кремний окисляется практически полностью, выделяя при этом значительное количества тепла. Окисление может протекать в объеме металла, на границе со шлаком, на границе металл – газ.
[Si] + 2[O] = (SiO2) (3.9)
[Si] + 2(FeО) = (SiO2) + 2[Fe] (3.10)
[Si] + {O2} = (SiO2) (3.11)
В основных сталеплавильных агрегатах окисление кремния идет до остаточных содержаний 0,01… 0,02%, т. к. ( SiO2) связывается основными оксидами в устойчивые комплексы. Поэтому рассмотрим реакцию (10).
Константа равновесия этой реакции имеет вид
(3.12)
откуда
(3.13)
Рассматриваемая реакция экзотермическая, поэтому с понижением температуры растет значение К Si ,т.е. в начале плавки значение К Si большое.
В основных шлаках активность (SiO2) низкая, т.к. весь оксид связан в комплекс 2СаО SiO2. Активность FeO высокая.
Вследствие перечисленных причин кремний полностью окисляется уже в начале плавки и переходит в шлак.
В агрегатах с кислой футеровкой поведение кремния иное. Из-за высокой концентрации (SiO2) в шлаке (50 – 60%) высока и его активность. Активность же (FeO) в течение плавки меняется: вначале высокая, затем падает.
В начале плавки при низкой активности (SiO2), высоких значениях KSi и α (FeO) кремний интенсивно окисляется. Затем в связи с ростом температуры (KSi падает) концентрации и активности (SiO2) и снижением активности (FeO) начинается процесс восстановления кремния из шлака.
Поведение кремния по ходу плавки в агрегатах с кислой и основной футеровкой схематически представлено на рис. 3.3
Рис 3.3 Схема изменения содержания кремния в ходе мартеновской плавки: 1- кислый процесс (а - кремневосстановительный; б – промежуточный; в – активный); 2 – основной процесс.
3.4. Реакция окисления марганца
Марганец в сталях присутствует как раскислитель и легирующий компонент. Раскислительная способность его мала и в этом качестве он используется при производстве кипящих марок стали. В других типах сталей он обычно содержится в количестве до 0,5%, что обусловлено необходимостью устранения неблагоприятного влияния серы на свойства стали. В присутствии марганца растворенная в металле сера выделяется при кристаллизации в виде тугоплавких включений, что предотвращает красноломкость.
В больших количествах марганец является легирующим веществом и используется при производстве конструкционных, рессорно-пружинных, износостойких и др. марок стали.
Как кремний, марганец может окисляться в металле на границе со шлаком, на границе с атмосферой агрегата. Но основное количество марганца окисляется на границе металл – шлак по реакции:
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] (3.14)
Для практических подсчетов константу равновесия этой реакции записывают в виде
KMn
=
(3.15)
[Mn]
=
(3.16)
Реакция окисления марганца относится к числу сильно экзотермических реакций. Т.е. окислению марганца будет способствовать низкая температура начального периода плавки (высокое значение KMn), высокое содержание (FeO) и низкая концентрация (МnO) в шлаке. По этим причинам в начальный период плавки окисляется 90 – 95% марганца. В конце плавки в связи с повышением температуры металла и снижением содержания FeO в шлаке идет обратный процесс – восстановление марганца из оксида шлака в металл. Поэтому потери марганца со шлаком составляют 70… 80% за плавку.
В кислых процессах окисление марганца идет более полно, т. к. MnO взаимодействует с SiO2 с образованием соединения 2MnO SiO2, что понижает активность MnO в шлаке и приводит к смещению реакции окисления марганца вправо. Т.е. марганец ведет себя в этом случае так же, как кремний в основных процессах.