Десульфурация стали. Десульфурация в дуговой печи, десульфурация ТШС и металлическими десульфураторами.

Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твердом. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю оче­редь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления 988 °С), которая при наличии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при еще более низких температурах. Межзеренные прослойки (обычно на микрошлифе они выглядят в виде ни­тей) фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются, и сталь теряет свои свойства – происходит разрушение металла (краснолом­кость). Красноломкость особенно сильно проявляется в ли­той стали, так как сульфиды и оксисульфиды в этом случае скапливаются по границам первичных зерен. Если сталь хотя бы однократно подвергалась горячей деформации, то вследс­твие измельчения зерна и образования при деформации новых зерен красноломкость проявляется в гораздо меньшей степе­ни. Однако и в этом случае стремятся получить в стали ми­нимальное содержание серы из-за заметного вредного влияния ее на механические свойства стали (в частности, на величину ударной вязкости), что особенно проявляется в направлении, перпендикулярном оси прокатки или ковки. Повышенное содержание серы приводит часто к появлению так называемых "горячих трещин", особенно при непрерывной разливке стали. Поэтому в большинстве случаев удаление из металла серы — одна из главных задач сталеплавильщика.

При растворении серы в железе выделяется тепло, что видно из следующей реакции:

; .

Активность серы в жидком железе зависит от состава расплава. Такие примеси, как углерод, кремний, повышают активность серы в жидком расплаве, так как вытесняют ее из "микроячеек" структуры жидкого металла и занимают ее место. Поэтому, например, при прочих равных условиях обессеривать чугун, содержащий много углерода и кремния, легче, чем обычную сталь.

Сера является поверхностно-активным элементом. Высокая поверхностная активность серы приводит к тому, что на по­верхности раздела фаз концентрация серы выше, чем в объе­ме раствора. Поэтому наибольший эффект дает применение таких методов ведения плавки, которые обеспечивают увели­чение поверхности контакта металла с десульфурирующей фа­зой (искусственное перемешивание металла со шлаком, вду­вание в металл тонкоизмельченных порошкообразных реаген­тов и т.п.).

Элементы, у которых значения изменения свободной энер­гии при образовании соединений с серой меньше значе­ния изменения свободной энергии при соединении серы с же­лезом, могут быть элементами-десульфураторами. Такими элементами являются Mn, Mg, Na, Ca и др., а также церий (Се) и другие редкоземельные элементы. Все эти элементы используют на практике: натрий в виде соды при внедоменной десульфурации чугуна; магний – в виде чистого Mg или сплавов (лигатур) с другими металлами; кальций – иногда в виде сплавов с другими металлами, а чаще в виде извести (СаО) или известняка (СаСО₃); марганец – в виде сплавов марганца с железом (ферромарганца), а также в виде мар­ганцевой руды. Очень большим сродством к сере обладают редкоземельные металлы. Самым дешевым и распространенным из перечисленных материалов является известь.

Основным источником серы в шихте является чугун. Кроме того, определенное количество серы может попасть в металл с ломом (особенно со стружкой, не очищенной от смазочных масел), с добавочными материалами, а также из атмосферы печи, если печь отапливают топливом (мазутом, газом), содержащим серу.

В сталеплавильном агрегате удаление серы из расплавленного металла в шлак происходит в большинстве случаев в результате образования CaS:

Fe + [S] + (CaO) = (CaS) + (FeO),

при этом сера, растворенная в металле, реагирует с СаО в шлаке. Реакция протекает на поверхности раздела фаз, и увеличение этой поверхности (перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл СаО в виде порошкообразной извести и другие способы) ускоряет эту реакцию и способствует более глубокой десульфурации. Диффузия серы из глубины ванны к месту реакции со шлаком – процесс довольно медленный. Перемешивание металла (при кипении ванны, при ее продувке инертными газами или при электромагнитном перемешивании) ускоряет этот процесс. Если шлак, кроме СаО, содержит много М nО, возможно протекание реакции

Fe + [ S] + (МпО) = ( MnS) + ( FeO).

Образующийся при реакциях десульфурации сульфид кальция CaS нерастворим в металле; сульфид марганца MnS также почти нерастворим в металле.

В результате протекания реакций удаления серы из металла общая концентрация серы в шлаке ( S) растет, а концентрация серы в металле [ S] уменьшается. Отношение концентраций ( S): [ S] называют коэффициентом распределения серы. Чем выше значение этого коэффициента, тем лучше происходит процесс удаления серы из металла. При повышении температуры ванны значение коэффициента распределения серы возрастает, так как повышается скорость диффузии серы, шлак становится более жидкоподвижным и активным, ускоряется ход самой реакции.

Скачивание шлака и наведение нового (чистого по сере) шлака также способствуют переходу новых порций серы из металла в шлак.

Таким образом, удалению серы из металла (десульфурации металла) способствуют:

6) наличие основных шлаков с высокой активностью СаО;

7) низкая окисленность металла (минимум [О]), низкая окисленность шлака (минимум FeO);

8) низкая концентрация серы в шлаке (скачивание и наведение нового шлака);

9) перемешивание металла со шлаком и увеличение поверхности контакта;

10) повышение температуры ванны.

Выше уже было указано, что сера – поверхностно-активный элемент. При продувке металла кислородом окисление серы, адсорбированной на металле, может в какой-то мере происходить и по реакции

S_адс + О_2газ = SО_2газ.

Однако доля этой реакции в процессах десульфурации невелика, основное количество серы удаляется со шлаком.

 

Технологические параметры процесса десульфурации:

5) Количество шлака, необходимое для удаления или получения заданного количества S;

6) Основность шлака, которую нужно обеспечить для получения заданного содержания S;

7) Окисленность расплава, которая должна быть соблюдена для получения конечного содержания S;

8) Расход извести для удаления S.

 

 

 

Шихтовые материалы электроплавки. Требования к шихтовым материалам.

Основной составляющей шихты (75–100 %) электроплавки является стальной лом. Лом не должен содержать цветных металлов и должен иметь минимальное количество никеля и меди; желательно, чтобы содержание фосфора в ломе не пре­вышало 0,05 %. При более высоком содержании фосфора про­должительность плавки возрастает. Лом не должен быть сильно окисленным (ржавым). Ржавчина – гидрат оксида же­леза, с ней вносится в металл много водорода. Лом должен быть тяжеловесным, чтобы обеспечивалась загрузка шихты в один прием (одной корзиной). При легковесном ломе после частичного расплавления первой порции шихты приходится вновь открывать печь и подсаживать шихту, что увеличивает продолжительность плавки.

В последние годы расширяется применение металлизованных окатышей и губчатого железа – продуктов прямого восстановления обогащенных железных руд. Они содержат 85—93 % Fe, основными примесями являются оксиды железа, SiO₂ и А1₂О₃.

Отличительная особенность этого сырья – наличие угле­рода от 0,2—0,5 до 2 % и очень низкое содержание серы, фосфора, никеля, меди и других примесей, обычно имеющихся в стальном ломе. Это позволяет выплавлять сталь, отличаю­щуюся повышенной чистотой от примесей.

Переплав отходов легированных сталей позволяет эконо­мить дорогие ферросплавы. Поэтому эти отходы собирают и хранят рассортированными по химическому составу в отдель­ных закромах. Их используют при выплавке сталей, содержа­щих те же легирующие элементы, что и отходы.

Для повышения содержания углерода в шихте используют чугун, кокс и электродный бой.

Основное требование к чугуну – минимальное содержание фосфора; с тем, чтобы не вносить много фосфора в шихту малых (< 40 т) печей вводят не более 10 % чугуна, а в большегрузных не более 25 %.

В качестве шлакообразующих в основных печах применяют известь, известняк, плавиковый шпат, боксит, шамотный бой; в кислых печах- кварцевый песок, шамотный бой, из­весть.

В качестве окислителей используют железную руду, про­катную окалину, агломерат, железорудные окатыши, газооб­разный кислород.

К шлакообразующим и окислителям предъявляются те же требования, что и при других сталеплавильных процессах. В частности, известь должна содержать более 90 % СаО, менее 2 % SiO₂, менее 0,1 % S и быть свежеобожженной, чтобы не вносить в металл водород. Железная руда должна содержать менее 8 % SiO₂, поскольку он понижает основность шлака, менее 0,05 % S и менее 0,2 % Р; желательно применять руду с размером кусков 40–100 мм, поскольку такие куски легко проходят через слой шлака и непосредственно реагируют с металлом.

В плавиковом шпате, применяемом для разжижения шлака, содержание CaF₂ должно превышать 85 %.

В электросталеплавильном производстве для легирования и раскисления применяются практически все известные фер­росплавы и легирующие.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: