3.8.4. Обезуглероживание жидкой стали

Скорость обезуглероживания в значительной степени определяет продолжительность плавок стали. Кроме то­го, выделение пузырей окиси углерода в результате это­го процесса приводит к сильному перемешиванию сталь­ной ванны, что в свою очередь способствует дегазации металла, всплыванию неметаллических включений и ус­корению перехода вредных примесей в шлак. Поэтому обезуглероживание является одной из наиболее важных операций при выплавке стали.

Процесс обезуглероживания состоит из нескольких стадий. Кроме самой химической реакции, он включает перенос кислорода из газа (воздуха) или из окисли­тельного шлака в металл и отвод окиси углерода из сферы реакции. Химическая реакция между растворен­ными в жидком железе углеродом и кислородом описы­вается уравнением

С + О = СО.

Константа равновесия этой реакции имеет вид К=Рсо/[C] [O]

Обезуглерожива­ние с образованием пузырей СО может происходить при условии, если величина р_со (при данных [С] и [О]) больше, чем давление окружающей среды р_вн,, подобно тому как любая жидкость закипает лишь при темпера­туре, при которой давление ее пара превышает атмосфер­ное. Величина р_вн включает в себя не только атмосфер­ное давление, но и давление столба жидкой стали над объемом, где происходит реакция, а также дополни­тельное давление внутри образовавшегося газового пу­зырька, обязанное межфазному натяжению о и равное 2ơ/r, где r—радиус пузырька.

Таким образом, чтобы обезуглероживание происхо­дило с заметной скоростью, произведение [С] [О] должно несколько превышать равновесное значение, равное Рвн/К, т. е. должно иметь место определенное «пересы­щение». Технология выплавки стали требует, чтобы обезуглероживание совершалось с большими скоростя­ми и сопровождалось «кипением» ванны, т.е. образова­нием пузырей окиси углерода. Одна из особенностей процесса обезуглероживания состоит в том, что образо­вание таких пузырей в объеме жидкой стали существен­но замедлено. Это объясняется трудностью и малой скоростью образования зародышей новой газообразной фазы внутри металла (для того чтобы возник такой за­родыш, необходимо раздвинуть атомы металла и соз­дать новую поверхность, т.е. затратить работу против сил поверхностного натяжения).

Зародышевые пузырьки окиси углерода образуются на подине и откосах печей, а также на мелких твердых частицах, присутствующих в стали. Эти частицы возникают как результат размы­вания огнеупорной кладки печей и реакций раскисле­ния стали.

Влияние твердых тел на процесс образования пу­зырьков объясняется тем, что жидкая сталь плохо сма­чивает огнеупорную футеровку, а межфазное натяже­ние на границе твердое тело— газ значительно меньше, чем на поверхности сталь — газ. Особенно легко обра­зуются пузырьки окиси углерода на шероховатых по­верхностях, в различных углублениях и порах огнеупорных материалов. Так как обычно фу­теровка сталеплавильных печей имеет очень много по­добных неровностей, то именно на них, а не в объеме ванны, происходит зарождение пузырей. Благодаря это­му реакция обезуглероживания протекает без торможе­ния, связанного с образованием новой фазы. Пузырьки окиси углерода, зарождаясь на поверхности подины печи или на ее откосах, всплывают через толщу жидко­го металла и увеличиваются вследствие протекания на их поверхности реакции обезуглероживания, продуктом которой является окись углерода.

Скорость обезуглероживания зависит от соотношения между объемом металлической ванны и ее поверх­ностью. Это характерно для гетерогенных реакций, про­исходящих на границах различных сред.

ɷ=kD₀ ([O]^, -[O]) / l∆

где k- коэффициент пропорциональности,

[O] — концентрация кислорода, соответствующая рав­новесию распределения его между железом и шлаком данного состава;

[О]' —фактическая концентрация кислорода в метал­ле,

l — глубина ванны мартеновской печи.

Cкорость обезуглероживания в мартеновских печах уменьшается с увеличением глубины ванны и воз­растает при увеличении окисленности шлака ([О]').