Вопрос № 13. Окисление углерода в электропечи, механизм и условие удаления пузырька СО.

Окисление углерода представляет собой сложный процесс, даже в упрощённом виде состоит из трёх стадий:

· доставка кислорода в металлическую ванну;

· собственно реакция окисления;

· удаление продуктов.

С учётом конвективных потоков процессу приписывают 6 стадий. Кислород переходит в металл потому ,что его концентрация там ниже равновесной. Существуют эмпирические и полуэмпирические уравнения, диаграммы, определяющие переход (О) в [O] в зависимости от состава шлака (основность, %(FeO) и его активность), температуры, углерода [C] и т.д. По С.Т. Ростовцеву растворимость кислорода в железе %[O]мах при 16000 С около 0,23% и определяется только температурой.

При любом способе введения кислорода в расплав Ме рост его концентрации замедлен, т.е. процесс в конечном итоге сводится к межфазному взаимодействию «Ш – Ме»

В соответствии с правилом химического сродства растворённый кислород реагирует с углеродом:

[O]+[C]=[CO]={CO} (1)

обе стадии обратимы, поэтому процесс идёт вправо при достаточно высоких значениях [C] и, особенно [O] – переокисление, необходимо для глубокого обезуглероживания. Численная характеристика равновесия (1) установлена эмпирически:

m= =0,0025 ,

т.е. выражается при (РСО=const) гиперболической зависимостью, хорошо подтверждаемой опытными данными. Которые свидетельствуют, что при содержании углерода до 1%, содержание кислорода тем ниже, чем больший процент углерода содержится в металле. Фактическое содержание кислорода в Ме несколько выше равновесного, что связано с:

· кинетической замедленностью процесса;

· значительными затратами энергии на три стадии процесса – зарождение и удаление пузыря СО:

Р_СО=Р_атм+Р_Ме+Р_Ш+Р_{капилл.}

Р_СО=Р_атм+g_Fe ^.h_Fe+g_ш^.h_ш+2s/r, где

g - плотность, г/см³

h - высота столба, см

s - поверхностное натяжение металла, дин/см

r - радиус пузыря, см

отсюда видно, что выделение газа в самостоятельную фазу требует преодоления большого давления. Во-вторых, что в гомогенной среде зарождение пузырька практически невозможно, т.к. например, для r=1 мкм (10^-6 см) член 2s/r становится намного больше суммы всех остальных, а при r®0, Р_{капилл.}®¥. Поэтому зарождение новой фазы происходит по фазовым границам «Ш – Ме» и «Ме – футеровка».

Однако при диаметре пузырей >1 мм избыточное давление, определяемое последним членом уравнения становится настолько малым (0,03 ат.), что им можно пренебречь. По этим соображениям численные значение

[C].[O]=0,0025

логично понизить, прибегнув к продувке стальной ванны инертным газом. Этот приём используют в частности при обезуглероживании высокохромистых сплавов (при выплавке нержавеющих и жаропрочных сталей переплавом отходов). Процесс протекает более интенсивно при повышении температуры.