2.13 Современные представления о ходе процессов окислительного рафинирования расплавов на основе железа

1. С помощью плавки металла во взвешенном состоянии, метода падающей в окислительной атмосфере капли, плавки в индукционных печах и печах сопротивления были изучены процессы рафинирования синтетических сплавов и чугунов в условиях по возможности близких к реакционной зоне сталеплавильных агрегатов.

2. Экспериментально установлено, что, когда концентрации [C], [Mn], [Si], [P] относительно велики (больше 0,1-0,3 %) окисление этих элементов происходит преимущественно на границе раздела фаз металл-газ. В этот период ведущим звеном, определяющим скорость процесса окисления, является массоперенос кислорода в объеме газовой фазы к поверхности металла.

3). В этих условиях протекают следующие реакции:

1. [C]+1/2O_{2 газ}=CO_газ;

2. СО_газ+1/2О_{2 газ} =СО_{2 газ};

3. [Si]+1/2O_{2 газ}={SiO}_газ;

4. {SiO}+1/2O_{2 газ}=(SiO₂);

5. [Mn]+1/2O_{2 газ}=(MnO);

6. Mn_газ+1/2О_{2 газ}=(MnO);

7. [P]+1/2O_{2 газ}={PO}_газ;

8. 2{PO}+3/2O_{2 газ}=(P₂O₅);

9. Fe_ж +1/2О_{2 газ}=(FeO).

В квадратных скобках обозначены концентрации компонентов металла, в других – компонентов шлака, а в фигурных скобках первичные, в ряде случаев нестабильные продукты окисления, так или иначе зафиксированные в газах, покидающих поверхность окисляемого металла.

Реакция (2) протекает в тонком ламинарном слое, непосредственно прилегающем к поверхности расплава. Реакция (9) имеет относительно слабое развитие, определяемое концентрациями таких компонентов как С, Mn, Si и др.

4. При высоких концентрациях в расплаве этих компонентов скорость их окисления мало зависит от температуры. Энергия активации процессов окисления углерода и марганца, как чистых процессов, определяемых массопереносом кислорода составляет 44,5 ккал/моль (16,818,9 кДж/моль). При окислении кремния энергия активации несколько выше и составляет 6-8 ккал/моль (25-33,5 кДж/моль). Это свидетельствует о том, что процесс окисления кремния протекает не в чисто внешнедиффузионном режиме, а в некотором переходном между внешне- и внутридиффузионным, что объясняется образованием на поверхности металла тонкой пленки кремнеземистого шлака, создающего дополнительное сопротивление поступлению кислорода в контакт с жидким металлом.

5). В данных условиях плавки соотношение скоростей окисления отдельных компонентов металлического расплава (и последовательность удаления отдельных примесей металла) качественно определяется соотношением изменений изобарно-изотермического потенциала окисления данного компонента с учетом его концентрации в металле и концентрации его оксида в шлаке или в газовой фазе. Например, для реакции [Mn]+n/2O₂=(MeO_n) G=n/2lg–lg(MeO_n)/[Me]. Стандартные значения  G для отдельных оксидов представлены в таблице 3.

Влияние поверхностной активности отдельных компонентов расплава на основе железа в общем случае незначительно. Оно проявляется на величине остаточных концентраций в металле элементов с сильно выраженной поверхностной активностью, или компонентов, образующих между собой трудно растворимые в расплавах железа соединения, которые образуют группировки, вытесняемые в поверхностный слой металла.

Таблица 3 – Стандартные значения изменений изобарно-изотермического потенциала окисления данного компонента

Реакция	Температура, С	G, кДж,моль
[C]+1/2O2=CОгаз	1225	–244,6
	1825	–295,5
[Si]+1/2O2=SiOгаз	1225	–231,0
	1825	–250,1
[Mn]+1/2O2=(MnO)	1225	–275,0
	1825	–223,0
[P]+1/2O2=POгаз	1225	–98,5
	1285	–92,2