Pentru oxidarea impurităților în baia în aer liber, atunci când cuptorul funcționează cu procedeul la fier vechi, este necesar oxigen la ~3,5 %, iar atunci când se lucrează cu procedeul fier vechi ~8% din greutatea metalului. Principalele surse de oxigen în cuptorul în aer liber sunt agenții oxidanți solizi special adăugați (minereu de fier, sinter etc.), oxigenul gazos suflat și atmosfera cuptorului. Trebuie remarcat faptul că, datorită naturii oxidante a atmosferei din spațiul de lucru al cuptorului (conținutul de CO2 este de 7-10% și H2O 10-20%) este, spre deosebire de atmosfera cuptoarelor din alte unități siderurgice, o sursă importantă de oxigen pentru procesele oxidative din baie. Aceasta explică proprietățile oxidante ale zgurii, care este o verigă de transfer a oxigenului în sistemul atmosferă de furnal-scură-metal lichid.
Schema transferului de oxigen de la atmosfera gazoasă la metal este prezentată în figura 136. La suprafața interfeței gaz-scură au loc procese de oxidare a FeO la Fe2O3care se deplasează la interfața zgură-metal și interacționează cu fierul prin reacția
Oxidul FeO rezultat interacționează cu impuritățile metalice la interfața metal-scură sau se dizolvă în metal:
Conform legii distribuției, o creștere a conținutului de oxizi de fier din zgură conduce la o creștere a transferului de oxigen către metal, în timp ce cantitatea de fier transferată din zgură către metal crește, de asemenea. La creșterea consumului de fontă brută crește consumul de minereu de fier pentru oxidarea impurităților și producția de metal lichid datorită reducerii oxidantului solid de fier. Din acest motiv, în procedeul cu minereu de fier vechi există un randament maxim de metal lichid în raport cu încărcătura de metal încărcat în comparație cu alte unități siderurgice, ceea ce reprezintă un avantaj incontestabil al procedeului cu minereu de fier vechi în câmp deschis.
Oxigenul gazos, suflat direct în baie, interacționează cu impuritățile metalice cu un efect termic pozitiv, ceea ce îmbunătățește echilibrul termic al procesului și permite încălzirea accelerată a metalului.
Conținut
Oxidarea siliciului
În procesul de bază în câmp deschis, siliciul este complet oxidat în timpul perioadei de topire, când temperatura băii este încă relativ scăzută:
[Si] + 2[O] = (SiO2) + 331 kJ (78990 cal). (203)
Oxidarea siliciului are loc odată cu degajarea de căldură, ceea ce este deosebit de important în perioadele inițiale de topire, când baia nu este suficient încălzită.
La începutul topirii, calcarul nu are timp să se dizolve în zgură, iar siliciul format interacționează cu oxizii de fier pentru a forma silicați de fier:
Ulterior, pe măsură ce calcarul se descompune, zgura se îmbogățește cu CaO și se formează silicați de calciu:
Siliciul se leagă complet de silicații de calciu, iar reacția de oxidare a siliciului în condițiile cuptorului principal deschis trebuie considerată ireversibilă.
Comportamentul manganului
Oxidarea manganului poate avea loc dizolvat în oxigenul metalic, precum și la granița cu zgura prin reacția
[Mn] + (FeO) = [Fe] + (MnO). (206)
Constanta de echilibru este determinată de expresia
(207)
Valoarea lui KMn scade odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, în condiții de baie în câmp deschis, manganul este oxidat în etapele inițiale ale procesului la temperaturi relativ scăzute. Până la sfârșitul finisării, când temperatura băii crește la 1580-1600° O și cu un conținut suficient de ridicat de MnO în zgură, manganul este redus din zgură. Agentul de reducere a manganului, în afară de fier, este carbonul:
(MnO) + [Fe] = (FeO) + [Mn]; (208)
(MnO) + [C] = (CO) + [Mn]. (209)
Reducerea manganului până la sfârșitul perioadei de fierbere pură este de obicei observată atunci când conținutul său în fontă brută este >1%. Manganul se oxidează mai devreme decât fierul și, prin legarea silicei în silicați de mangan, îmbunătățește formarea zgurii la începutul procesului.
Oxidarea și comportamentul fosforului
Reacția de oxidare a fosforului este exotermică și, prin urmare, începe să aibă loc deja la temperaturi relativ scăzute:
În stare liberă, P2О5 nu poate exista în zgură deoarece acest oxid este instabil la temperaturi ridicate. În timpul perioadei de topire, P2О5 este predominant legat în trifosfați de fier:
În timpul desaglomerării zgurii în timpul perioadei de topire, fosforul este eliminat din baie sub forma acestui compus și se pierde, de asemenea, o cantitate considerabilă de fier.
La sfârșitul topirii și în perioadele de topire ulterioare, când zgura este îmbogățită cu CaO, acest oxid joacă rolul principal de defosforizare. Cele mai puternice fosfați de calciu sunt (CaO)3 • Р2O5 și (CaO)4 • P2O5.
În cuptorul deschis, mai mult decât în orice altă unitate siderurgică, defosforizarea metalului prin reînnoirea repetată a zgurii este utilizată în cea mai mare măsură. Acesta este tipul de operație care se efectuează în timpul perioadei de fierbere a minereului.
Fosforul din cuptorul în aer liber este oxidat în mod predominant în timpul perioadelor de topire și de fierbere a minereului. În timpul perioadei de fierbere pură, pentru a limita reducerea fosforului din zgură în metal, este necesar să se mențină o bazicitate ridicată a zgurii. În timpul perioadei de dezoxidare, când siliciul este introdus în metal, bazicitatea zgurii scade. De asemenea, bazicitatea scade atunci când metalul este păstrat în cazan, deoarece are loc procesul de dizolvare parțială a căptușelii, a cazanului și de îmbogățire a zgurii cu siliciu. Acest lucru duce uneori la refocalizare și la creșterea conținutului de fosfor în metal cu ≥0,005% până la sfârșitul turnării. În acest sens, la topirea oțelului cu conținut scăzut de fosfor, este necesar să se efectueze o defosforizare profundă a metalului în primele etape ale topirii și să se elimine recuperarea fosforului în cazan, creșterea vâscozității zgurii prin aditivarea cu dolomită etc.
Desulfurarea metalului
Sulful din baia în câmp deschis este introdus de diverse materiale: deșeuri metalice, calcar, minereu de fier etc. Cu toate acestea, principala sursă de sulf este fonta brută, iar atunci când cuptorul este încălzit cu combustibil sulfuros, cum ar fi păcura, combustibilul devine, de asemenea, o sursă de sulf.
Desulfurarea metalelor în condiții de cuptor în aer liber se datorează în principal transformării sulfului în sulfuri puternice care sunt insolubile în metal. Sulfurile de fier și mangan (FeS și MnS) sunt solubile în metal și zgură. Cu toate acestea, sulfura de mangan se caracterizează printr-o solubilitate mult mai scăzută în metal decât sulfura de fier. Prin urmare, la un conținut relativ ridicat de mangan în metal are loc reacția
[FeS] + [Mn] = (MnS) + [Fe]. (212)
Constanta de echilibru a acestei reacții, deoarece conținutul de sulf este direct proporțional cu conținutul de FeS, este determinată de expresia
Constanta de echilibru KS crește odată cu scăderea temperaturii. Prin urmare, desulfurarea eficientă a metalului este posibilă la un conținut ridicat de mangan în metal, la un conținut scăzut de sulfură de mangan în zgură și la o temperatură relativ scăzută. Reacția (212) cunoaște o anumită dezvoltare în malaxor. Se observă o reducere notabilă a conținutului de sulf din fonta brută la descărcarea periodică a zgurii din malaxor.
Într-o măsură mult mai mică, se produce desulfurarea metalului în detrimentul manganului în baia în aer liber din cauza conținutului relativ scăzut de mangan, pe de o parte, și a temperaturii mai ridicate a metalului, pe de altă parte. Principalele reacții ale procesului de desulfurare în condiții de baie în aer liber sunt următoarele:
1) trecerea sulfului și simultan a fierului de la metal la zgură:
[Fe]+[S] = (Fe 2+ ) + (S 2- ), (215)
sau în formă moleculară
2) reacție în faza de zgură:
(FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO). (217)
Reacția totală de desulfurare este:
[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO). (218)
Transferul sulfului de la metal la zgură este un proces de difuzie și se desfășoară lent. Pentru accelerarea acestuia, este necesară creșterea vitezei de transfer de masă în zgură și a suprafeței de contact a metalului cu zgura, reducerea vâscozității zgurii și a metalului. Odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea metalului și a zgurii scade, crește rata de transfer de masă. În același timp, creșterea temperaturii împiedică reacția (218). Cu toate acestea, veriga limitativă a procesului de desulfurare a metalului în ansamblu este etapa de difuzie. Prin urmare, procesul de desulfurare se accelerează odată cu creșterea temperaturii. Constanta de echilibru a reacției (218) este determinată de expresia
și coeficientul de distribuție a sulfului între zgură și metal
Din analiza expresiilor (219) și (220) se poate concluziona că eliminarea sulfului din metal este cu atât mai reușită cu cât conținutul de CaO din zgură este mai mare și conținutul de FeO mai mic.
Cu toate acestea, FeO reduce vâscozitatea zgurii, accelerează procesul de dizolvare a varului în zgură. În plus, o parte din sulful din zgură este sub formă de FeS. Prin urmare, la un conținut de zgură de 5-10% FeO și mai mult, care este tipic pentru procesul de desulfurare în câmp deschis, FeO, având un dublu efect asupra comportamentului sulfului, practic nu afectează procesul de desulfurare.
În general, cuptorul în aer liber nu este adaptat pentru topirea metalelor cu conținut scăzut de sulf. Prin urmare, dacă este necesar să se producă oțel cu un conținut de sulf de
Oxidarea carbonului
Procesul de oxidare a carbonului într-un cuptor în aer liber constă din următoarele etape:
- transfer de oxigen de la zgură la metal: (FeO) = [FeO]; (221)
- transferul oxigenului și al carbonului la locul reacției;
- interacțiunea carbonului și a oxigenului: [C] + [O] = ; (222)
- formarea bulelor de CO și îndepărtarea lor de metal.
Cea mai lentă dintre etapele de mai sus va limita progresul procesului de oxidare a carbonului în ansamblu. Cea mai rapidă este a treia etapă, care nu limitează procesul de oxidare a carbonului. Vitezele de tranziție a oxigenului prin interfața zgură-metal și de transfer al oxigenului și carbonului în metal sunt determinate de gradul de agitare și cresc considerabil odată cu introducerea directă a oxigenului în metal. Prin urmare, rata de oxidare a carbonului crește atunci când baia este purjată cu oxigen.
Pentru a forma o bulă de CO în volumul metalului este necesar să se depășească presiunea metalului, a zgurii și a atmosferei gazoase a cuptorului, precum și forțele de interacțiune dintre particulele metalice. Pentru a învinge aceste rezistențe, este cheltuită o cantitate relativ mare de energie și, prin urmare, bulele de CO se nuclează mai ușor pe suprafața rugoasă a fundului, a pantelor și a incluziunilor solide nemetalice. Bula de CO formată pe suprafața fundului sau a pantelor, după ce a atins un anumit volum, se sparge și se ridică în sus, ceea ce asigură o bună amestecare a băii.
Pentru nuclearea bulei de CO este necesară o anumită suprasaturație de oxigen peste conținutul său de echilibru la o anumită temperatură și un anumit conținut de carbon. Prin urmare, conținutul de oxigen în metalul din baia în aer liber este ușor mai mare decât conținutul de echilibru cu carbonul. Deoarece în perioada de fierbere pură principala impuritate din metal este carbonul, conținutul de oxigen din baia de fierbere în câmp deschis este determinat fără ambiguitate de concentrația de carbon (fig. 137).
Principala cerință a tehnologiei de procesare în câmp deschis este corespondența dintre ratele de oxidare a carbonului și încălzirea băii (fig. 138). Până la sfârșitul perioadei de fierbere pură, conținutul de carbon și temperatura metalului trebuie să atingă anumite valori. Deoarece la suflarea băii cu oxigen se accelerează încălzirea metalului și crește simultan rata de oxidare a carbonului, utilizarea pe scară largă a oxigenului în cuptoarele în aer liber asigură o reducere a duratei de topire și creșterea performanțelor tehnice și economice ale cuptoarelor în aer liber în cazul.
Natura modificărilor în compoziția metalului și a zgurii în cursul topirii
Fig. 139 arată modificarea compoziției metalului și a zgurii în cursul topirii în cuptorul în aer liber. Compoziția metalului se modifică în conformitate cu comportamentul descris al impurităților. Se constată o scădere vizibilă a conținutului de fosfor până în momentul dezoxidării și o ușoară scădere a conținutului de sulf și mangan. În plus, manganul este oarecum recuperat din zgură la sfârșitul fierberii pure. Conținutul de carbon scade continuu, iar temperatura metalului crește.
Modificările compoziției zgurii sunt determinate în primul rând de o creștere continuă a conținutului de CaO și, în consecință, a bazicității acestuia și de o oarecare creștere a conținutului de FeO ca urmare a unei scăderi a conținutului de carbon al metalului. Modificarea nesemnificativă a conținutului de MnO în zgură este asociată cu natura reacției de oxidare-reducere a manganului. Concentrația de siliciu scade continuu, deoarece toată siliciul este oxidat în timpul perioadei de topire.
