Реакция окисления углерода - Основы теории окислительной плавки

Основная составляющая шихты при выплавке стали - чугун - содержит в среднем 4%. В готовой стали содержание углерода в большинстве случаев исчисляется десятыми долями процента, поэтому скорость окисления углерода определяет продолжительность плавки, и эту реакцию считают главной реакцией сталеплавильных процессов.

Углерод является основным потребителем кислорода. Установлено, что окисление углерода происходит в объеме металла по реакциям:

[ C ] + [ O ] = { CO } (4)

[ C ] + 2 [ O ] = { CO2 } (5)

Вторая реакция протекает при концентрациях углерода менее 0,05%, поэтому не будем ее рассматривать.

Объем выделяющихся газов многократно превышает объем металла, т. к. окисление 1кг углерода сопровождается образованием более 10м3 СО при температуре 1500?С. Это обеспечивает интенсивное перемешивание металла и шлака и ускоряет массообменные процессы. В мартеновском же и электросталеплавильном процессах это обеспечивает нагрев металла и усреднение его температуры по всему объему ванны. При отсутствии перемешивания вряд ли была возможна выплавка стали на подине мартеновской или какой-либо иной печи.

Кроме того, углерод является важным источником тепла. Например, в кислородно-конвертерном процессе при окислении углерода выделяется до 25% тепла в приходной части теплового баланса.

Константу равновесия реакции (4) с достаточной для практических целей точностью можно записать в таком виде:

Кс = (6)

Установлено, что при температуре сталеплавильных процессов произведение величин в знаменателе этого выражения является постоянной величиной

[ C ] [ O ] = 0,0025. (7)

Учитывая, что при выходе на поверхность металла давление СО в пузыре равно атмосферному Рсо = 1ат, выражение (6) записывают в виде

Кс = (8)

Тогда, с учетом (7) Кс = 400.

Уравнение (7) используют для определения соотношений концентраций углерода и кислорода в железе в состоянии равновесия при температуре сталеплавильных процессов.

В реальных условиях для протекания реакции обезуглероживания необходим некоторый избыток кислорода, что и наблюдается в действительности (рис. 1).

Из рассмотрения этой зависимости следует, что концентрация кислорода в металле контролируется углеродом и понижается с повышением концентрации углерода.

Окисление углерода может идти и на границах металла со шлаком и с газовой фазой соответственно по реакциям

[C] + (FeО) = {CO} + [Fe]

[C] + Ѕ{O2} = {CO}

зависимость между содержанием [с] и [о] в металле для равновесных и действительных условий мартеновской ванны

Рис 1 Зависимость между содержанием [С] и [О] в металле для равновесных и действительных условий мартеновской ванны.

Важным в практическом отношении является вопрос о скорости окисления углерода, т. к. от этого зависит производительность агрегата.

Термодинамический анализ реакций окисления углерода показывает, что с увеличением температуры создаются более благоприятные условия для их протекания.

Минимальная температура перегрева металла над температурой ликвидус сплава составляет 30...- 40?С, и задача сталевара состоит в том, чтобы плавку вести горячо, обеспечивая тем самым сокращение длительности плавки.

Скорость окисления зависит от содержания углерода двояко: в области высоких концентраций ([C] > 0,1...0,2%) при постоянной скорости поступления кислорода она остается неизменной, а при меньших концентрациях падает. Указанный диапазон концентраций называют критическим, т. к. происходит изменение лимитирующего звена реакции: в области высоких концентраций скорость реакции контролируется доставкой кислорода в зону реакции, в области меньших концентраций лимитирующим звеном становится массоперенос углерода. Естественно, что с увеличением скорости подвода кислорода в зону реакции скорость окисления растет, одновременно увеличивается и критическая концентрация углерода (рис. 2)

зависимость скорости выгорания углерода от его концентрации в металле при различной интенсивности продувки ванны 900 т мартеновской печи кислородом, м3/ч

Рис. 2 Зависимость скорости выгорания углерода от его концентрации в металле при различной интенсивности продувки ванны 900 т мартеновской печи кислородом, м3/ч:

1,2,3,4,5 - интенсивность доставки кислорода.

Похожие статьи




Реакция окисления углерода - Основы теории окислительной плавки

Предыдущая | Следующая