Окисление железа и переход кислорода в металл

Из описания основных задач окислительного периода электроплавки вытекает, что в этот период необходимо обеспечить проведение соответствующих окислительных процессов. Источником кислорода являются в первую очередь содержащиеся в шлаке оксиды железа.

Содержание железа в металлической шихте, завали­ваемой в электропечь, при выплавке с окислением пре­вышает 95%. Согласно закону действующих масс, если ванна не будет покрыта шлаком, то во взаимодействие с кислородом воздуха вступает в первую очередь железо с образованием железистого шлака. Когда металл по­крывается шлаком и кислород в металл переходит в виде FeO, окисление железа заметно замедляется. Содержа­ние FeO может быть повышено присадкой в ванну руды. При этом Fe₂O₃ руды реагирует по реакции

(Fe₂O₃)+[Fe] = 3(FeO),

а магнитный оксид руды — по реакции

(Fe₃O₄) + [Fe] = 4(FeO).

Шлак таким образом обогащается FeO, а поскольку соотношение между содержанием FeO в шлаке и раст­воренным в металле кислородом остается примерно по­стоянным (% FeO) / [ % О ] ≈420, то соответственно возра­стает и содержание кислорода в металле, который реа­гирует с примесями металла по реакции

[O] + [Me] = (MeO).

Продукты реакции всплывают на поверхность метал­ла. Относительно незначительным источником кислорода в электросталеплавильной печи являются окислитель­ные компоненты печной атмосферы (CO₂, H₂O и O₂).

Широко для окисления примесей в электросталепла­вильной ванне используется газообразный кислород. При вдувании газообразного кислорода в ванну он либо непосредственно в молекулярном состояний взаимодей­ствует с примесями металла на поверхности раздела кислородной полости по реакции

{O₂} + 2 [Me] = 2(MeO),

либо молекулы газообразного кислорода предваритель­но разлагаются на атомы с последующим растворением в металле:

(O₂) = 2[О].

Растворенный в металле, кислород реагирует с при­месями по реакции [O] + [Me] = (MeO).

Газообразный кислород может первоначально взаи­модействовать с железом с образованием оксидов желе­за, которые, всплывая в шлак, увеличивают его окисли­тельный потенциал. Оксиды железа взаимодействуют с примесями металла. По такой двухстадийной схеме кис­лород преимущественно реагирует при малом содержа­нии окисляющихся примесей.

Газообразный кислород целесообразно применять вследствие высоких скоростей окисления примесей. Это объясняется тем, что кислород подводится непосредст­венно в металл; при этом металл дробится на капли и увеличивается поверхность соприкосновения металла с кислородом. Кроме того, использование газообразного кислорода способствует улучшению теплового баланса ванны. На нагрев 1 кг кислорода руды до 1600° С и пе­реход его из шлака в металл необходимо затратить 14,7—16,8 кДж (3500—4000 кал) а на нагрев того же количества кислорода расходуется 1,74 кДж (415 кал), т. е. во втором случае расход тепла примерно в девять раз меньше. При окислении всех примесей металла, и железа газообразным кислородом суммарный тепловой эффект процесса, включая и затраты тепла на подготов­ку кислорода, является положительным. Это обеспечи­вает быстрый нагрев ванны. Следует также иметь в виду большую гибкость регулирования скорости окисления примесей при использовании газообразного кислорода.

В случае использования железной руды окисление всех примесей в ванне протекает с затратой тепла.Все перечисленные моменты обеспечивают широкое применение кислорода в окислительный период электро-плавки. Однако нельзя забывать и отрицательные стороны применения газообразного кислорода: повышенный угар металла и связанное с этим снижение выхода годного на 0,5—2%, а также большое пылеобразование.