Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




25.06.2019


25.06.2019


24.06.2019


24.06.2019


24.06.2019


24.06.2019


23.06.2019


23.06.2019


23.06.2019


23.06.2019





Яндекс.Метрика

Контакты | Карта сайта
         » » Понятие о физико-химических процессах производства стали

Понятие о физико-химических процессах производства стали

21.03.2019

Выплавка стали сопровождается многочисленными химическими и физическими превращениями веществ, принимающих участие в этом сложном процессе. Под действием высоких температур и энергий в электропечи протекают различные химические реакции: разложение (диссоциация) некоторых химических соединений, окисление элементов и восстановление их из окислов, образование прочных соединений серы и фосфора. Изменяется физическое состояние веществ — образуются жидкий металл и шлак. Чтобы управлять процессами, происходящими в металлургической печи, сталеплавильщик должен располагать определенными сведениями о физико-химических закономерностях высокотемпературных реакций.

Равновесие обратимой реакции. Многие химические превращения обратимы. Это значит, что если два вещества взаимодействуют с образованием нового по реакции

А + В = AB,


то это новое вещество может распадаться по обратной реакции:

AB = A + В.


При этом обе реакции могут протекать одновременно в одних и тех же условиях и ни одна из них не может идти до конца, так как каждой из них противопоставляется обратная реакция. Следовательно, в системе идут две противоположные реакции, и изменение состава системы возможно лишь в том случае, если какая-либо из реакций имеет большую скорость. При определенных внешних условиях — температуре, давлении (если в реакции принимают участие газообразные реагенты), концентрации взаимодействующих веществ — может наступить состояние динамического (подвижного) равновесия, когда скорости протекания реакции в одном направлении и в другом, противоположном ему, оказываются равными. Очевидно, что в состоянии динамического равновесия состав системы изменяться не будет.

Рассмотрим, к примеру, процесс образования играющей особо важную роль в металлургии окиси углерода — основного восстановителя в доменном процессе, продукта окисления углерода при выплавке стали. Одной из реакций образования окиси углерода является взаимодействие углекислого газа с твердым углеродом:

CO2 + С <—> 2СО.


Стрелки, заменяющие в уравнении этой реакции знак равенства, показывают, что возможна и обратная реакция: разложение окиси углерода с образованием углекислого газа и углерода. В состоянии равновесия при определенной температуре» и давлении соотношение окиси углерода и углекислого газа в замкнутом объеме, где происходит реакция, не изменяется, хотя в действительности реакция продолжается и за одно и то же время образуется столько же молекул CO из углерода и углекислоты, сколько молекул CO распадается.

При всех обстоятельствах рассматриваемая обратимая реакция стремится к равновесию, зависящему от температуры и давления. Каждой температуре и внешнему давлению отвечает определенное соотношение углекислоты и окиси углерода в газовой фазе (табл. 16).

При изменении внешних условий система переходит от прежнего равновесного состояния к новому, происходит сдвиг равновесия в одну сторону, протекающий с определенной скоростью.

Скорость химической реакции измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Хотя химические превращения при температурах сталеварения (1500—1800° С) протекают очень быстро, тем не менее все они характеризуются определенной конечной скоростью.

Скорость реакции изменяется в зависимости от температуры и концентрации реагирующих веществ. В самом деле, при нагревании па воздухе кусок стали на глазах покрывается толстым слоем окалины, тогда как при нормальной температуре он лишь медленно ржавеет с поверхности. Известно, что в период кипения окисление углерода происходит с разной скоростью — быстрее в начале периода, когда концентрация углерода в жидкой стали еще высока, и медленнее в конце. Концентрация вещества чаще всего выражается в процентах по массе. Окисление углерода в первой стадии окислительного периода совершается со скоростью 0,4—0,6% в час, а в конце окислительного периода 0,2—0,3 % в час.

Наибольшей скоростью отличаются химические процессы, протекающие между газообразными веществами, медленнее всего идут реакции в твердом состоянии. Это объясняется тем, что скорость реакции в конечном счете зависит не только от быстроты самого химического превращения, но и от скорости доставки (переноса) взаимодействующих веществ к месту протекания реакции. Так как очень часто реагирующие вещества находятся в разных состояниях, например углерод растворен в жидкой стали, а кислород для его окисления подводится в виде твердых кусков железной руды или в виде газообразного кислорода, химическая реакция протекает на границе двух фаз: на границе металла и шлака, пузырька кислорода и жидкого металла. В этих случаях скорость реакции часто сильно зависит от быстроты переноса взаимодействующих веществ в объеме фаз, в частности в объеме жидкого металла и шлака. Поэтому так важно следить на протяжении всей плавки за жидкоподвижностью шлака, чаще перемешивать металлическую ванну.

Закон действующих масс. Скорость прямой реакции между веществами А и В, в результате которой образуются вещества C и D

А + В = С + D.


можно выразить формулой

v1 = k1 [А] [В],


где [A] и [В] — концентрация соответствующих веществ, растворенных в стали;

k1 — коэффициент пропорциональности.

Скорость обратной реакции выражается соответственно формулой

v2 = k2 [С] [D].


С течением времени концентрация реагирующих веществ A и В, а следовательно, и скорость прямой реакции уменьшатся настолько, что скорость обратной реакции, возросшая благодаря образованию веществ С и D из Л и В, станет равной скорости прямой реакции. Наступит подвижное (динамическое) равновесие. В этом состоянии

Последнее выражение называется законом действующих масс, К — константой равновесия.

Закон действующих масс позволяет легко определять наиболее благоприятные условия протекания реакций. Рассмотрим, например, процесс удаления серы (десульфурацию) при выплавке стали в основной электропечи

[S] + (CaO) <—> [О] + (CaS).


В состоянии равновесия концентрации реагирующих веществ в соответствии с законом действующих масс связаны соотношением

К = (CaS)[O]/(CaO)[S].


При неизменйой температуре константа равновесия является величиной постоянной. Следовательно, для уменьшения остаточного содержания серы в стали [S] необходимо, во-первых, увеличивать концентрацию окиси кальция в шлаке (CaO), т. е. повышать основность шлака; во-вторых, понижать концентрацию продукта реакции — сульфида кальция — в шлаке (CaS), т. ё. чаще заменять шлак, скачивая его полностью или частично и наводя новый, а также применяя для наведения шлака известь газового обжига с низким содержанием серы; в-третьих, раскислять металл, добиваясь понижения концентрации в нем кислорода [О]. Соблюдение указанных условий влияет не на величину Ks, а только на остаточное содержание серы в стали, поэтому десульфурация стали в основной электропечи происходит не только в восстановительный период плавки, когда соблюдаются все перечисленные условия, но в определенных пределах и в окислительный период, когда металл насыщен кислородом; конечно, в этот период степень десульфурации невелика.

Закон распределения. Хотя расплавленный металл и жидкий шлак нерастворимы друг в друге, тем не менее взаимодействие между ними возможно. Это взаимодействие подчиняется закону распределения, который гласит, что соотношение концентраций растворяющегося в двух несмешивающихся жидкостях вещества есть величина постоянная при данной температуре и при условии, что вещество, растворенное в обеих жидкостях, находится в ниx в одинаковом молекулярном или атомарном состояниях.

Рассмотрим применение этого закона в окислительный период плавки. Если металл, находящийся в печи, покрыт шлаком и не соприкасается с воздухом, окисление его происходит за счет свободной закиси железа, растворенной в шлаке. Переход кислорода из шлака в металл протекает до тех пор, пока между концентрациями кислорода в шлаке и в металле не устанавливается в соответствии с законом распределения постоянное при данной температуре соотношение

Lo = (O)/[O],


где Lо — коэффициент распределения кислорода между шлаком и металлом при данной температуре.

Подача руды приводит к увеличению содержания закиси железа в шлаке и вызывает переход ее из шлака в металл. Этот переход осуществляется потому, что содержание кислорода в металле ниже значений, отвечающих равновесию со шлаком, и происходит до тех пор, пока отношение концентрации кислорода в металле и закиси железа в шлаке не становится равным коэффициенту распределения при данной температуре.

Принцип Ле-Шателье позволяет объяснить ход металлургических реакций, протекающих в сталеплавильной печи. Смысл этого принципа заключается в следующем. Если система выведена из состояния равновесия — изменилась концентрация одного из реагентов химической реакции, температура или давление, то в ней начинают протекать процессы, благодаря которым система вновь оказывается в состоянии равновесия, отвечающего, однако, новым, изменившимся условиям.

Все химические реакции сопровождаются выделением или поглощением тепла. Реакции, которые идут с выделением тепла, называются экзотермическими, а те, при которых тепло поглощается, — эндотермическими. Согласно принципу Ле-Шателье, экзотермические химические реакции успешно протекают при понижении температуры. Наоборот, эндотермические реакции проходят успешно лишь при высоких температурах.

Поэтому в период плавления, когда температура невысока и плавящаяся шихта способна поглотить большое количество тепла, получают развитие экзотермические реакции — окисление железа, кремния, марганца, фосфора, хрома и т. д.

В окислительном периоде плавки, после того как ванна разогреется, бурно развиваются эндотермические реакции; например реакция окисления углерода закисью железа.

В результате этой реакции из углерода и кислорода, растворенных в жидкой стали, образуется газообразная окись углерода. Согласно принципу Ле-Шателье, понижение давления над металлом должно усиливать образование окиси углерода. Это обстоятельство широко используется в вакуумной металлургии для раскисления стали углеродом.