Сера в сталях и условия её удаления

Сера попадает в сталеплавильные агрегаты с жидким чугуном, с металлическим ломом, добавочными материалами, со стальной и чугунной стружкой, содержащей остатки СО или смазочных материалов из печной атмосферы.

СО- смазочно-остаточная жидкость из печной атмосферы.

Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твердом. Сульфиды железа образуют с железом низкоплавкую эвтектику с t=988 ⁰С, которая при наличии О₂ плавится при еще более низких t-рах что и приводит к красноломкости стали.

При растворении серы в железе также происходит выделение тепла.

{S} → [S]+Q

t-ра кипения S=445 ͦС

Активность серы в жидком железе зависит от состава расплава. С и Si повышают активность серы в расплаве, т.к вытесняют ее из микро ячеек в структуре жидкого Ме-ла и занимают ее место. Поэтому чугун легче очищать от серы чем сталь.

Для удаления серы из расплава стали можно использовать Mn, Mg, Na, Ca и др. редкоземельные Ме-лы.

Na в виде соды Na₂CO₃ .

Mg в чистом виде или сплавов с др. металлами.

Ca в виде CaO, CaCO₃, CaC₂

Mn в виде ферромарганца или марганцевой руды.

Некоторое кол-во серы удаляется при выпуске чугуна из дом. печи в результате протекания реакции

[FeS]+[Mn]→(MnS) +[Fe]

В сталеплавильном агрегате сера удаляетсяза счет р-ии с оксидом кальция:

[FeS]+(CaO)→(CaS)+(FeO)

Эта реакция протекает на поверхности раздела металла и шлака и увеличение этой поверхности активизирует протекание данной реакции. Это достигается:

1) За счет перемешивания металла и шлака.

2) За счет вдувания в расплав CaO в виде порошка.

Перемешивание металлов и шлаков достигается за счет кипения ванны, продувание расплава инертными газами и использования устройства для электромагнитного перемешивания расплава.

Если шлак, кроме CaO, содержит некоторое количество оксида Mn, то протекает реакция по удалению серы в шлак:

[FeS]+(MnO)→(MnS)+(FeO)

Условия удаления серы в шлак:

1) Наличие высокоосновных шлаков.

2) Низкое содержание FeO в шлаке.

3) Повышенная t-ра расплава.

4) Низкая концентрация серы в шлаке.

5) Перемешивание расплава.

Некоторое кол-во серы удаляется за счет ее взаимодействия с газообразным кислородом.

[S]+{O₂}→{SO₂}

Но доля этой реакции в процессах обессеривания мала(менее 10%)

Основным раскислителем при выплавке стали является углерод.

[C]+[O]→{CO}

Газы в сталях и способы их удаления.

В любой стали в небольших кол-вах содержаться эл-ты, явл-еся в обычных условиях газами. Это O₂, H и N. Газы содержащиеся в Ме-ле в виде газовых пузырей, соединений – оксидов, нитридов и гидридов. И в виде атомов или ионов, распределённых между атомами и ионами жидкого Ме-ла или внедрённых в кристаллическую решётку Ме-ла. При содержании газов в сотах или тысячных долях %, они оказывают заметное влияние на св-ва стали, поэтому для многих видов металлопродукции их содержание регламентируются ГОСТами.

Кислород.

Попадает в расплав стали из атмосферы сталеплавильных агрегатов. Fe и вместе с окислителями (это железная и металлическая руда, железорудные окатыши и газообразный кислород). Для удаления кислорода из расплава, в сталь вводят эл-ты – раскислители, у которых сродство к кислороду выше чем у Fe (это С, Al, Mn, Si, Ca и редкоземельные Ме-лы). Основным раскислителем при плавке стали явл-ся С.

[C]+[O]→{CO}

Водород

Источником водорода в сталеплавильных агрегатах явл-ся влага шихты и атмосфера печи, содержащая пары воды и водорода

{H₂}→[H]

{H₂O}→[H]+[O]

Эта зависимость наз-ся ур-нием квадратного корня или ур-нием Сивертса.

При переходе Ме-ла из жидкого состояния в твёрдое, растворимость водорода скачкообразно уменьшается в 3-4 раза, что вызывает интенсивное выделение водорода из Ме-ла и образование газовых пузырей особой формы – это флокенов. Оставшийся в твёрдом растворе Н искажает кристаллическую решётку Ме-ла, увеличивает его хрупкость, уменьшает пластичность, что ухудшает качество Ме-ла.

Меры борьбы с водородом:

1 организация кипения ванны. В пузырьках СО давление настолько мало по-равнению с другими газами, что водород может растворятся в них как в пустоте. Тоже самое происходит при продувке расплава инертными газами.

2 обработка расплава вакуумом. При помещении расплава в вакуумную камеру давление Н над расплавом уменьшается и он начинает удалятся из Ме-ла. Наиболее эффективно вакуумирование нераскисленной стали.

3 выдержка закристаллизовавшегося Ме-ла при повышенных t-рах. Поскольку размеры атомов водорода малы, то он может свободно диффундировать через кристаллическую решётку закристаллизовавшегося Ме-ла, особенно при повышенных t-рах.

4 обработка расплава гидрообразующими эл-тами. Некоторые эл-ты (РЗМ) способны образовывать с водородом стойкие соединения гидриды и в этом случае уменьшается вероятность образования газовых пор и флокенов.

5 наложение электрического поля и обработка ультразвуком.

Азот.

Источником азота явл-ся атмосфера печи и ферросплав. При обычных t-рах плавления стали вероятность насыщения расплава азотом из газовой фазы невелика, но при t-ре ≈2500 ͦС, которая развивается в зоне горения электрических дуг между электродом и шахтой, и ферросплавом, а также в месте контакта кислородной струи с расплавом происходит диссоциация молекулярного азота и скорость его проникновения в расплав резко возрастает. На растворимость азота в расплаве влияет состав стали. Такие эл-ты, как Cr, Mn, V, Ti, Al, Ce и РЗМ повышают растворимость азота в стали. А C, Si и Р снижают растворимость азота. Резкое снижение растворимости азота при переходе из жидкого состояния в твёрдое и при превращении  приводит к получению твёрдого раствора пересыщенного азотом, что увеличивает твёрдость и хрупкость стали.

Меры борьбы с азотом:

1 использование шихтовых материалов и ферросплавов чистых по азоту.

2 организация кипения ванны расплава.

3 предохранение расплава от контакта с азот содержащей атмосферы.

4 продувка расплава кислородом не содержащим азот

5 связывание азота в устойчивые соединения за счёт ввода в расплав Al.

 

26. Сталеплавильные шлаки и источники их образования.

Выплавка стали сопровождается процессами окисления углерода, железа и др. примесей, а так же разъеданием футеровки сталеплавильных агрегатов. В результате образ. неметаллическая фаза, называемая шлаком. Шлаки играют важную роль в сталеплавильных процессах, т.к. предохраняют расплав от окисления и насыщения газами из печной атмосферы. Через шлаки вводят окислители, раскислители, легирующие добавки, отводят вредные примеси и газы. Во многих случаях процесс выплавки стали сводится к получению шлака требуемого хим. состава и вязкости. Источниками образования шлака явл-ся:

1) Продукты окисления примеси чугуна и металлического лома:

Mn, Si, Fe

 

MnO, SiO_2, FeO.

2) Продукты разрушения футеровки плавильного агрегата. При разъедании основной футеровки (даламита, магнезита) в шлак переходят CaO и MgO. При разрушении кислой диносовой футеровки в шлак переходят SiO₂ и Al₂O₃.

3) Загрязнения, вносимые шихтой (песок, глина, миксерный шлак).

4) Ржавчина, покрывающая металлический лом, загружаемый в сталеплавильный агрегат. (Ржавчина – оксиды и гидрооксиды железа).

5) Добавочные материалы и окислители (известняк, известь, плавиковый шпат, боксит, железная и марганцевая руда).

В застывших шлаках компоненты находятся в виде оксидов или сульфидных включений, а в жидком состоянии в виде ионов. Шлаки, в которых преобладают основные оксиды – основные шлаки(CaO, MgO, MnO,FeO). При преобладании кислотных оксидов – кислые шлаки(Al₂O₃, SiO₂, P₂O₅). В зависимости от типа шлаков сталеплавильные процессы также наз-ся основными или кислыми.