Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
З практики виробництва електросталі в дугових печах відомо, що в відновлювальний період процеси розкислення і десульфурації металу протікають дуже повільно, особливо в великих печах з глибокої ванною, по-цьому їх проводять в ковші-печі [2].
У загальному випадку швидкість розкислення і десульфурації при взаімодеіствіі металу зі шлаком виражається рівнянням:
де - час, с; - коефіцієнт масопередачі, що залежить від швидкості дифузії в металі і шлаку і потужності перемішування метал-ла зі шлаком; Fyд - питома поверхня контакту металу зі йшла-ком, що дорівнює відношенню загальної контактної поверхні F, м 2. до обсягу металу V, м 3; [З] - концентрація кисню і сірки в металі,%; [З] р - рівноважні концентрації кисню і сірки,%.
Рівноважні концентрації розраховуються за рівняннями:
де Ls - коефіцієнт розподілу сірки між металом і шлаком. Коефіцієнти масопереносу. дифузії D0 і Ds нерозривно пов'язані з в'язкістю шлаку і металу. За рівняння Ейнштейна, при постійній температурі і заданому розмірі частинок твір коефіцієнтів в'язкості і дифузії D - величина постійна (D - const).
В'язкість шлаку приблизно в 10-100 разів більше в'язкості металу, а коефіцієнт дифузії в шлаку в стільки ж разів менше, ніж в метал-ле. Звідси випливає, що лімітуючим ланкою швидкості реакції при обробці металу шлаком в ковші є швидкість дифузії в шлаку [1].
Для збільшення швидкості процесів десульфурації НЕ-обходимо зменшувати в'язкість шлаку за рахунок підвищення:
Швидкість десульфурации при взаємодії металу зі шлаком прямо пропорційна питомій поверхні, що приходить-ся на одиницю об'єму металу. Найбільш простим і ефективним мето-дом збільшення Fyд є емульгування шлаку при випуску ме-Таллах з печі в ківш з великої висоти. Значення Fyд різко возрас-тане з ростом ступеня емульгування шлаку і зі зменшенням радіусу частинок шлаку. Радіус шлакових крапельок:
де -межфазное натяг, мДж'м 2. С - коефіцієнт обтічні-мости шлаку в рідкому металі (С 1); Н - висота падіння струменя металу, м; - щільність металу, кг / м 3.
Чистота металу по шлаковим включень залежить від швидкості сліянним-ня дрібних крапельок шлаку, швидкості спливання шлакових включень і тривалості витримки металу в ковші. Швидкість злиття двох ка-Пелеком однакового радіуса, за літературними даними, прямо пропорційна міжфазній натягу і обернено пропорційна в'яз-кості шлаку:
Слід враховувати, що змінюється в один - два рази, а може змінюватися в п'ять - десять разів, тому на швидкість укрупнити-ня шлакових частинок вирішальний вплив справляє в'язкість шлаку [1].
Швидкість спливання шлакових частинок в металі наближено визна-виділяється за законом Стокса:
де g - прискорення сили тяжіння, м / с 2; r - розмір (радіус) частки; рш - щільність шлаку.
Зниження вмісту сірки в металі в процесі плавки відбувається в результаті переходу її в шлак. Цей перехід може бути - описаний стехиометрическими рівняннями:
[FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO); (2.7)
[FeS] + (MnO) = (MnS) + (FeO); (2.8)
[FeS] + (MgO) = (MgS) + (FeO). (2.9)
За цим рівнянням можна встановити, що максимальний ступінь десульфурації досягається за рахунок окису кальцію в шлаку. Значно менший ступінь десульфурації досягається за рахунок окису марганцю в шлаку, так як при NMnO = NCaO і тієї ж концентрації окису заліза коефіцієнт розподілу сірки між шлаком і металом приблизно на порядок менше. Зовсім незначна десульфурация окисом магнію. Поряд з цим відбувається розподіл сірки між металом і шлаком:
Отже, десульфурация стали в процесі плавки відбувається головним чином в результаті розподілу між металом і шлаком і зв'язування окисом кальцію в шлаку [7]. Підвищення змісту СаО в шлаку сприяє більш повному видаленню сірки з металу. Так як кремнезем пов'язує окис кальцію, підвищення його змісту погіршує десульфурацию. Іншими словами, можна сказати, що десульфурации сприяє підвищення основності шлаку. Наведена в рівняннях запис реакцій десульфурації стали відображає лише стехиометрические співвідношення, і константи рівноваги цих реакцій носять формально термодинамічний характер. Цей запис не відображає форму існування реагують частинок і не дозволяє пояснити деякі експериментальні дані, наприклад вплив вмісту окису заліза в шлаку на ступінь десульфурації [7]. Відповідно до сучасних уявлень про іонної структурі рідких шлаків, реакції десульфурації можна описати рівняннями:
[Fe] + [S] = (Fe 2+) + (S 2); (2.11)
[S] + (O 2) = (S 2) + [O]; (2.12)
Судячи з останніх двох рівнянь, збільшення коефіцієнта розподілу сірки між шлаком і металом, т. Е. Ступеня десульфурації, сприяють зниження мольной частки аніонів сірки (NS 2) і підвищення мольной частки аніонів кисню (NO 2) в шлаку. Обидва ці умови виконуються з підвищенням вмісту основних оксидів в шлаку і з пониженням вмісту кислотних оксидів. Дійсно, згідно з описаним вище (2.11 і 2.12) уявленням про структуру іонів, що складають основні сталеплавильні шлаки, при введенні основних оксидів в шлаку підвищується концентрація аніонів кисню і збільшується відносне (наприклад на 100 г шлаку) кількість аніонів [7]. У разі введення кислотних оксидів SiO2 або Р2 O5 утворюються складні кремнекіслородние або фосфоркіслородние комплекси, на що витрачаються аніони кисню і що супроводжується зменшенням загальної кількості аніонів. Що стосується впливу на концентрацію аніонів кисню в шлаку, то всі основні оксиди (СаО, MnO, MgO, FeO) рівноцінні: 1 моль кожного з них вносить в шлак 1 моль іонів кисню. Потрібно констатувати, що вони не рівноцінні внаслідок відмінності радіусів складових їх катіонів (мають однаковий заряд).
Аніони сірки, що характеризуються при однаковому заряді великим радіусом, ніж аніони кисню (rS 2 = 0,174 нм, або 1,74 А; rO 2 = 0,132 нм, або 1,32 А), концентруються переважно біля великих катіонів кальцію (rCa 2 + = 0,106 нм, або 1,06 А) і в меншій мірі у катіонів марганцю (rMn 2+ = 0,091 нм, або 0,91 А). Аніони ж кисню, навпаки, концентруються у катіонів заліза (rFe 2+ = 0,083 нм або 0,83 А) і катіонів магнію (rMg 2+ = 0,078 нм або 0,78 А). Отже, підвищення вмісту окису кальцію (катіонів Ca 2+) викликає зниження коефіцієнта активності сірки і підвищення активності кисню в шлаку, що, відповідно з двома останніми рівняннями в умовах рівноваги, призводить до збільшення ступеня десульфурації. У меншій мірі впливає підвищення вмісту MnO в шлаку. Таким чином, десульфурации сприяє головним чином підвищення вмісту СаО і зниження вмісту SiO2 і Р2 O5 в шлаку, т. Е. Підвищення основності шлаку [7].
Малюнок 2.1 Вплив основності шлаку на коефіцієнт розподілу сірки між металом і шлаком в окислювальний період плавки в дугових печах
Малюнок 2.2. Вплив вмісту окису заліза в шлаку на коефіцієнт розподілу сірки при молярної частки «вільних» підстав: I - доменні шлаки; II - відновлювальні шлаки електроплавкі, III - окисні шлаки електроплавкі.
Окис заліза вносить в шлак катіони заліза і аніони кисню, які надають протилежну дію на десульфурацию. Підвищення змісту (О 2-) і, отже, збільшення загального числа аніонів по двох останніх рівнянь сприяють десульфурации. Підвищення концентрації (Fe 2+), згідно з передостаннього рівняння, навпаки, погіршує. При високому вмісті окису заліза в шлаку, коли великі концентрації і (О 2-), і (Fe 2+), зі зміною цього змісту впливу аніонів кисню і катіонів заліза практично компенсуються. При збільшенні (FeO) з 0,5 до 1,0% концентрація катіонів (Fe 2+) збільшиться в два рази, а аніонів (О 2-) майже не зміниться, так як вони вносяться в шлак усіма основними оксидами і в основному шлаку концентрація їх велика. Тому при низькому вмісті окису заліза в шлаку різко проявляється його негативний вплив на коефіцієнт розподілу сірки між металом і шлаком.