Протекание окислительно-восстановительных процессов в электропечах имеет ряд особенностей по сравнению с другими способами сталеплавильного производства.
При мартеновском процессе нагрев ванны осуществляется в результате сжигания топлива в рабочем пространстве печи. Для хорошей теплотехнической работы печи воздух вводят с избытком (5-15%), поэтому над ванной всегда бывает окислительная атмосфера.
Окислительный характер печной атмосферы относительно металла определяется значительным перепадом давлений кислорода между этими фазами. Парциальное давление кислорода в атмосфере мартеновской печи составляет примерно 1 кПа (10-2 ат). В то же время упругость диссоциации закиси железа (равновесное парциальное давление кислорода реакции окисления железа до закиси) при 1600° С равна примерно 1 мПа (10-8 ат), а в углеродистой стали она еще ниже. Это создает условия непрерывного поступления кислорода из печной атмосферы в металл.
Ввиду отмеченных обстоятельств мартеновское производство по своей природе является окислительным процессом, и в мартеновской ванне хорошо протекают реакции окисления примесей. Процессы, связанные с получением восстановительного шлака с низким содержанием закиси железа, в мартеновской печи затруднены из-за непрерывного поступления кислорода из печной атмосферы.
Окислительным процессом по своей природе является и кислородно-конвертерное производство, которое развивается лишь при сосредоточенном подводе на поверхность металла кислорода, поступающего из расположенной над этой поверхностью фурмы со скоростью, близкой к скорости звука. В месте удара кислородной струи о металл возникает реакционная зона диаметром 300—400 мм с очень высокой температурой (порядка 2500° С) и большим избытком кислорода. Происходит интенсивное окисление железа с образованием железистого шлака с первых же минут продувки. При взаимодействии металла с этим шлаком происходит интенсивное окисление в нем примесей. Частично эти примеси окисляются и непосредственно газообразным кислородом. Окисление примесей металла при продувке является единственным источником тепла кислородно-конвертерного процесса. Поэтому нельзя получить восстановительный шлак и, следовательно, нельзя осуществить восстановительный период по ходу кислородно-конвертерного процесса.
Выделение тепла в дуговых печах не требует подвода окислителей, и поэтому электроплавка в отличие от мартеновского и конвертерного процессов по своему характеру не является окислительным процессом. Более того, в дуговой печи в зоне горения дуг при высокой температуре и избытке углерода всегда имеется восстановительная атмосфера. Это позволяет успешно вести восстановительные процессы и затрудняет окисление примесей, которое происходит только при специальном введении в ванну окислителей.
При поддержании в дуговой печи положительного давления, препятствующего подсосу воздуха, во всем объеме печи создается восстановительная атмосфера, содержание окиси углерода в которой составляет 60—70%. Благодаря этому обеспечиваются благоприятные условия для проведения восстановительного периода плавки с получением восстановительного шлака с низким содержанием закиси железа. Как будет показано ниже, наводка такого шлака в конце плавки позволяет уменьшить содержание в стали серы и окисных включений.
Окисление металла за счет кислорода печной атмосферы в дуговых печах происходит в незначительной степени во время загрузки шихты и ее плавления, а также в окислительный период при подсосе воздуха через прозор при неполностью опущенной заслонке рабочего загрузочного окна. В основном же окисление примесей металла происходит за счет кислорода, поступающего из шлака или вводимого непосредственно в металл при продувке.
Как отмечалось выше, переход кислорода из шлака в металл, т. е. окислительная способность шлака, определяется активностью растворенной в нем закиси железа, и такой переход может быть записан уравнением (FeO) = [Fe] + [О]. Следовательно, для интенсификации окислительных процессов в ванне необходимо поддерживать достаточно высокую концентрацию закиси железа в шлаке. Это достигается присадкой в шлак железной руды. При даче в ванну железной руды с нею вводится в шлак Fe2v3 (гематитовые руды) или Fe2v3 и FeO (Fe3O4 — магнетитовые руды), и в шлаке повышается содержание окиси железа Fe2v3. На границе раздела шлака с металлической ванной или с имеющимися в шлаке корольками железа окись железа восстанавливается до закиси:
- (Fe2O3) + [Fe] = 3 (FeO),
которая затем частично переходит в металл.
Таким образом, окислы железа, вводимые в шлак с железной рудой, являются источником кислорода, поступающего в металл и расходуемого на окисление примесей.
Во время окислительного периода при подсосе воздуха и наличии в печи кислорода окислы железа являются также передатчиками кислорода из печной атмосферы в металл через шлак. В этом случае на поверхности раздела шлака с печной атмосферой происходит окисление закиси железа до окиси:
Образовавшаяся окись железа восстанавливается затем на поверхности раздела металл—шлак до закиси, которая и переходит в металл. Таким образом, кислород поступает в металл, где в основном расходуется на окисление примесей.
Для интенсификации окислительных процессов кислород подают в газообразном состоянии непосредственно в металл. Продувка металла кислородом осуществляется обычно с помощью водоохлаждаемой фурмы с несколькими отверстиями, расположенными под углом 15—40° к ее оси. Фурму вводят через специальное отверстие в своде и во время продувки опускают так, чтобы выходные отверстия находились на уровне 100—200 мм над уровнем шлака.
Струя кислорода, подаваемого в фурму под давлением 1,0— 1,2 МПа (10—12 ат), внедряется в металл и в зоне внедрения на поверхности газовых струй и пузырей происходит окисление железа, протекающее по реакции
Наряду с этим происходит непосредственно окисление примесей металла кислородом:
- [Si] + O2(г) = (SiO2);
- 2 [Mn] + O2(г) = 2 (МnO);
- 2[С] + O2(Г) = 2(СO);
- 2[Р] + 2,5O2(г) = (Р2O5).
Образующаяся в зоне внедрения кислорода закись железа в значительной мере растворяется в металле, что можно выразить следующим образом
В результате этого при продувке кислород переносится в объеме металла и окисление примесей происходит не только непосредственно в месте продувки, но и за счет растворенного в металле кислорода во всем объеме металлической ванны. По способности к окислению в условиях плавки стали в открытых печах примеси можно разделить на три группы:
- обладающие большим по сравнению с железом сродством к кислороду и полностью окисляющиеся в окислительный период плавки, к ним относятся кремний, титан, алюминий, бор, ванадий;
- обладающие меньшим по сравнению с железом сродством к кислороду и практически совсем не окисляющиеся — Ni, молибден, Сu, Co;
- обладающие сродством к кислороду, немного большим, чем железо, и ввиду низкой по сравнению с железом концентрации в металле окисляющиеся в большей или меньшей степени в зависимости от условий плавки — марганец, хром.
Особое место занимает углерод, образующий газообразные продукты окисления.
Смотрите видео на металлургическую тематику в нашем новом разделе - "ВИДЕО"
