• +7 (495) 730 31 40

    Контакт с администрацией портала

  • Новости

  • Аналитика

  • Публикации

  • Госты

  • Металлургический калькулятор

  • Металлургический справочник

  • Конференции

  • Полезные материалы

  • Списки

  • Индекс цен

  • Индекс цен LME

Окисление углерода

Углерод Самой распространенной полезной примесью в стали является углерод. Обычно он составляет не более 1,2 % от всей массы стали.

Свойства углерода в твердом железе: он начинает образование пересыщенного раствора, а также занимает часть узлов кристаллической решетки железа, тем самым вызывая её деформацию. Благодаря этому железо приобретает повышенную прочность и твердость.

Влияет углерод и на окислительное рафинирование металлов (особенно четко это влияние прослеживается на примере чугуна). Все эти свойства углерода непосредственно связаны с его окислением:

1. В результате окисления углерода происходит выделение газообразных оксидов углерода (СО и СО2). Эти оксиды способствуют активному перемешиванию смеси металла и шлака, без которого не сможет пойти ни один сталеплавильный процесс. Также пузыри оксида углерода удаляют из жидкого металла газы и неметаллические включения;
2. В результате окислительного процесса (с использованием газообразного кислорода) выделяется огромное количество тепла, которое будет использовано для подогрева ванны;
3. Окислительно-восстановительная реакция углерода с оксидом железа ([C]+(FeO)=(CO)+[Fe]) будет способствовать дополнительной защите железа от окисления, что уменьшит потерю продукта при окислительном рафинировании;
4. Качество готового продукта (стали) напрямую зависит от уровня всевозможных неметаллических добавок (в том числе и оксидов). А данный уровень, в свою очередь, зависит от количества углерода и активности его окислительных процессов в металле.


Углерод в реакциях


В большинстве процессов плавления стали углерод (до 90 %) будет окисляться лишь до оксида углерода. Реакция окисления углерода до диоксида считается второстепенной (менее 15 % от всего объема оксидов).

 Виды реакций окисления углерода, присутствующие в металлах:

1. [С] + 1/2О2 = {СО} – тепло выделяется; ΔG° = -152570 - 33,8 Т
2. [С] + (FeO) = [Fe] + {СО} – тепло поглощается; ΔG° = +85 373 - 83,8 Т
3. [С] + [О] = {СО} – тепло выделяется. ΔG° = -35 630 - 31 Т

При составлении графика, показывающего взаимосвязь изменения ΔG° при изменении температуры, можно сделать вывод, что при увеличении температуры, ΔG° будет понижаться. То есть, рост температуры способствует окислению углерода.

Вычислить константу равновесия третьей реакции можно по выражению:

Кр = Pco/(a[С]∙a[О]). Если концентрация углерода менее 1 %, а кислорода менее 0,08 %, то коэффициент активности каждого вещества можно принять за единицу. Тогда выражение примет следующий вид: Крсо/([С] ∙ [О]).
Значением теплового эффекта можно пренебрегать из-за сравнительно малой величины. Поэтому при любой температуре Рсо/([C] ∙ [О]) = const.

При окончании процесса плавления стали температура приблизительно равна 1600 °С для открытого агрегата (Рсо = 1000 г/см²), Кр можно принять равным 402, поэтому [C]∙[О]=Рсорсо/402 = 0,0025*Рсо=0,0025.

Это будет означать, что, при данном типе условий, количество оставшегося углерода в металле будет зависеть лишь от уровня кислорода. Причем, чем выше будет уровень кислорода, тем меньше будет остаток углерода.

Исходя из теоретических данных, наивысшее содержание кислорода для температур при окончании процессов плавления стали составит около 0,19 – 0,26 %. Взяв среднюю величину [О] = 0,23 %, подставим её в получившееся равенство, получая Cmin = 0,01 %. То есть, тем самым доказывая невозможность получения 50 % оксида железа. Именно из-за этого наивысшее содержание кислорода в металлах составляет порядка 0,13 %, а степень остаточного углерода не опускается ниже 0,02 %. Однако и этот уровень углерода является недопустимым, поскольку он обеспечивает слишком сильное окисление железа (тем самым снижая выход продукта) и увеличение износа оборудования, что также плохо сказывается на производительности.

В настоящее время развивается изготовление стали с уровнем остаточного углерода 0,026 – 0,041 % (для открытых агрегатов, что позволяет предотвратить увеличение износа оборудования). Чтобы снизить этот процент до необходимых 0,02 % применяется обработка еще не застывшей стали с помощью вакуума и нейтрального газа.

 Для получения требуемой концентрации углерода в продукте применяются следующие идеи:

 1. На протяжении всего процесса окислительного очищения поддерживается беспрерывный процесс окисления;
 2. Для получения необходимого уровня углерода в продукте обязательно иметь требуемый объем углерода в начальной смеси (начальный объем превышает итоговый объем), использовать объем в период проведения процесса следует аккуратно;
 3. Процесс плавки должен производиться с учетом того, чтобы начальный объем углерода расходовался лишь во временной промежуток, необходимый для проведения иных работ: нагрев, дефосфорация, десульфурация, удаление прочих побочных веществ.


Как синхронизировать процесс нагревания и удаления углерода в металле?


В процессе плавление особую значимость имеет не только процесс окисления углерода и получение его в требуемой концентрации, но и синхронизации этих процессов с процессом нагрева ванны.

Если рассматривать идеальные условия (ванны не вступают в процессы теплообмена с окружающей средой, а единственный идущий процесс – окисление углерода), то сдвиг температуры ванн в процессе окисления углерода (Δt[c])будет определяться по следующему уравнению:

Δt[c] = Qt/(100∙C[м]+g[шл]∙C[шл]), где Qt соответствует тепловому эффекту окислительной реакции при заданных параметрах, кДж/кг; g[шл] - количество шлакового материала, кг/100кг металла; С - удельная теплоемкость металла и шлака, Дж/(кг К).

Исходя из того, что C[м] = 0,84 кДж/(кг К) и С[шл]= 2,09 кДж/(кг К), а процент содержания шлаков не превышает 15 %, то формула принимает следующий вид:

Δt[c] = 0,009∙Qt

Из этого можно сделать вывод: синхронизировать вышеупомянутые процессы возможно только путем изменения теплового эффекта окислительной реакции. Изменить величину и знак этого эффекта можно изменением источников кислорода.

 В основном на производстве используется кислород, получаемый из:

• холодного (кислородного, либо воздушного) дутья;
• оксидов железа (твердые окислители: железная руда, агломерат, окатыши или окалина);
• горячих печных газов.

 Первый и третий способы являются примером экзотермических процессов (тепло выделяется). Причем, с повышением температуры происходит увеличение теплового эффекта. Второй способ является примером эндотермического процесса (тепло поглощается).

В действительности Δt[c] может быть отлична от теоретически рассчитанных величин из-за ряда причин: теплообмена между ванной и окружающей средой (нагревается футеровка и окружающий воздух), протекания в ванне побочных процессов (они могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими).


Возврат к списку