6. Основные реакции сталеплавильного процесса

Обозначения: [Si] – элемент металла;

{CO} – элемент газа;

(FeO) – элемент шлака.

6.1. Окисление углерода

В чугуне содержится до 4,5% С, в стали содержание углерода должно быть 1,7−2%, поэтому процессы выплавки стали из чугуна всегда сопровождаются реакцией окисления углерода, которую часто называют основной реакцией этих процессов, или процессом обезуглероживания.

Процесс обезуглероживания состоит из трех основных этапов:

а) подвода к месту реакции реагентов – углерода и кислорода;

б) практически мгновенной реакции окисления углерода в основном до оксида углерода [С] +[О] = {СО} или [С] +2[О] = {СО₂};

в) выделения продуктов реакции – пузырьков СО (или смеси {СО + СО₂}) в газовую фазу.

СО в жидкой стали практически не растворяется, поэтому он непрерывно покидает реакционную зону, процесс идет в сторону уменьшения содержания углерода. Причем, чем выше температура процесса, тем быстрее идет окисление углерода.

Следует отметить, что окисление растворенного в металле углерода осуществляется по трем направлениям:

1) окисление углерода, растворенного в металле, кислородом, также растворенном в металле:

[C] + [O] = {CO};

2) при окислении оксидами железа шлака:

[C] + (FeO) = [Fе]+{СО} с поглощением тепла;

3) при окислении непосредственно кислородом:

[С] + 1/2O₂ = {СО} с выделением тепла.

Следует помнить, что при окислении углерода газообразным кислородом выделяется большое количество тепла, при окислении же оксидами железа шлака тепло поглощается.

Пренебрежение этими закономерностями может привести к серьезным авариям.

Например, иногда в конвертер для ускорения обезуглероживания загружают в качестве окислителей слишком большое количество железной руды, окалины и т.п. Температура ванны при этом снижается, поскольку тепло расходуется; во-первых, на нагрев самих добавок, во-вторых, начавшаяся реакция [С] + (FеО) идет с поглощением тепла. В результате кипение ванны прекращается или резко замедляется. В этот период реакция [С] + [О] протекает "вяло", поэтому содержание кислорода в ванне резко возрастает. В дальнейшем по мере повышения температуры ванны (ванна "кипит") реакция [С] +[О] = {СО} интенсифицируется. С повышением температуры интенсифицируется также протекание реакции [С]+ (FеО) = {СО} + [Fе]. Если в ванне оказывается чрезмерно большое количество кислорода, эти реакции приобретают взрывной характер (в короткий период времени в виде пузырьков выделяется значительное количество СО), что приводит к выбросам из конвертера жидкого металла и шлака.

6.2. Окисление кремния

С железом кремний сплавляется в любых соотношениях.

Окисление растворенного в металле кремния может происходить вследствие его взаимодействия:

1) с кислородом, растворенном в металле: [Si]+2[O] = (SiO₂) с выдел.тепла;

2) с кислородом газовой фазы: [Si]+{О₂}= (SiO₂) с выдел.тепла;

3) с оксидами железа шлака: [Si] +2(FеО) = (SiO₂) + 2[Fе] с выдел.тепла.