Теоретические основы металлургического производства
  14.5 Поведение серы по ходу плавки

Поведение серы при выплавке стали в мартеновских печах может существенно меняться в зависимости от характера применяемого топлива. Ранее указывалось, что при температурах сталеплавильных процессов равновесное парциальное давление SO2 в газовой фазе для реакции (14.5) имеет очень малые значения. При использовании для отопления печей сернистого топлива фактическое парциальное давление SO2 в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата может оказаться выше равновесных значений. При этом реакции (14.5) в периодах завалки, прогрева и плавления, когда скрап и металл контактируют с печными газами, протекает в направлении поглощения металлом серы.

Опыт использования коксовального газа для отопления мартеновских печей показал, что при увеличении содержания серы в газе от 2 до 22 г/м3 концентрация серы в металле в конце периода плавления увеличивалась на 0,01 – 0,02%.

При образовании на поверхности ванны слоя шлака скорость поглощения серы металлом резко понижается. Однако, если металл покрыт слоем основного шлака, поглощение серы из газовой фазы также может протекать по реакции

При 1800К константа равновесия реакции (14.26) равняется 10-9, т.е. протекание ее в направлении поглощения серы из газовой фазы возможно только при очень малых парциальных давлениях кислорода. Необходимые для этого условия могут быть реализованы в пограничном слое у границы раздела шлак-газ при выделении большого количества CO из ванны. Возможность поглощения серы шлаком по реакции (14.26) подтверждена экспериментально. Показано, что при равновесии расплавов типа основных мартеновских шлаков с сернистым газом содержание серы в шлаке непрерывно увеличивается по мере роста его основности. Поэтому при содержании серы в коксовальном газе более 13,5 г/м3 (или в жидком топливе более 2%) концентрацию серы в металле трудно понизить до уровня, необходимого в качественной стали.

В связи с этим следует отметить одно из главных преимуществ отопления мартеновских печей природным газом – отсутствие в нем серы значительно облегчает десульфурацию металла.

В основных мартеновских печах в периоде плавления из-за низкой основности шлака удаляется небольшое количество серы. Десульфурация металла происходит, главным образом, при доводке плавки. Однако и в этих условиях удаление серы является весьма медленной и трудоемкой операцией. Так, например, при доводке плавки в 400-т мартеновской печи в течение 2 часов содержание серы в металле обычно снижается на 0,01% при исходной ее концентрации 0,03 – 0,04%.

По этой причине в современных мартеновских цехах задача получения низкого содержания серы в стали решается путем внедоменной десульфурации передельного чугуна или использования различных способов внепечной десульфурации стали.

Характер изменения содержания серы в металле при переработке в кислородных конвертерах чугуна с содержанием серы 0,03 – 0,04% показан на рисунке 14.9. При переработке чугуна с нормальным содержанием серы в начальном периоде плавки отмечается заметная десульфурация металла. При активном обезуглероживании металла в середине продувки скорость десульфурации понижается, возможна также некоторая ресульфурация металла. В заключительном периоде продувки при низком содержании углерода в металле скорость десульфурации увеличивается.

Высокая скорость десульфурации металла в начале продувки объясняется тем, что в этом периоде формируются первичные шлаки с высоким содержанием FeO. При низких температурах начального периода плавки FeO обладает свойствами основного оксида. Высокое содержание FeO в шлаке способствует также высокой скорости растворения в шлаке извести и быстрому росту его основности. Эффективной десульфурации металла в начальном периоде плавки способствуют также высокие значения коэффициента распределения серы между шлаком и металлом при высоком содержании в нем углерода.

Изменение состава металла и шлака по ходу плавки в 130-т кислородном конвертере

Рисунок 14.9 – Изменение состава металла и шлака по ходу плавки в 130-т кислородном конвертере

В середине продувки при высокой скорости обезуглероживания металла увеличиваются скорости реакций, протекающих во вторичной реакционной зоне, и содержание оксидов железа в шлаке начинает уменьшаться. Повышение содержания CaO в шлаке при одновременном уменьшении его окисленности ведет к насыщению шлака оксидом кальция. При этом избыточное количество CaO выделяется из жидкой фазы шлака в виде кристаллов оксида и ортосиликата кальция, в результате чего шлак переходит в гетерогенное состояние. Это вызывает появление в конвертере гетерогенного («сухого») шлака и уменьшение основности жидкой его части. В свою очередь, уменьшение основности жидкой части шлака ведет к перераспределению серы между шлаком и металлом, т.е. к развитию ресульфурации.

В заключительном периоде продувки при низком содержании углерода в металле происходит рост окисленности шлака. В сочетании с высокой температурой заключительного периода плавки это создает предпосылки для быстрого увеличения основности шлака и процесс десульфурации возобновляется.

Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что окисленность шлака имеет решающее значение для десульфурации металла, несмотря на отрицательное влияние FeO на термодинамику процесса. Рост содержания FeO в шлаке до оптимального предела, который соответствует (FeO)/(CaO) = 0,3, способствует увеличению фактического коэффициента распределения серы и росту скорости десульфурации металла в конце продувки.

При переработке чугуна, который подвергался глубокой десульфурации, с использованием извести обыкновенного качества характер поведения серы по ходу плавки существенно меняется (рисунок 14.10). При содержании серы в чугуне менее 0,01% в начальном периоде продувки фактические величины коэффициента распределения серы между шлаком и металлом оказываются выше равновесных значений, в результате чего протекает ресульфурация металла. Некоторое понижение концентрации серы в металле наблюдается в заключительном периоде продувки при высокой основности шлака.

Изменение состава и температуры металла при переработке низкосернистого чугуна в кислородном конвертере

Рисунок 14.10 – Изменение состава и температуры металла при переработке низкосернистого чугуна в кислородном конвертере

  14.5 Поведение серы по ходу плавки
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ