Реакция окисления углерода является одной из важнейших реакций окислительного периода в дуговых сталеплавильных печах. Шихту для плавки с окислением составляют, как правило, с избытком углерода в металле по расплавлении садки на 0,3 – 0,4% против заданного его содержания в готовой стали. Окисление избыточного углерода сопровождается образованием газообразного оксида углерода СО, при движении пузырьков которого происходит перемешивание ванны, выравнивание ее температуры и очищение жидкого металла от растворенных в нем газов — водорода и азота, а также от взвешенных неметаллических включений. Уменьшение содержания углерода в расплаве происходит по реакции [С] + [О] = СО. Условия равновесия этой реакции выражают уравнением:
Kс = pсо/([С] * [О]),
где [С] и [О] – соответственно концентрации углерода и кислорода, равные их активностям при низких содержаниях в металле; рсо — парциальное давление оксида углерода в газовой фазе в условиях равновесия ее с металлом.
В процессе расплавления металлолома и шлакообразующих материалов дугами и газокислородными горелками шлак обогащается FеО. При соответствующем нагреве жидких металла и шлака в колодцах под электродами развивается процесс перехода FеО из шлака в металл. Этот процесс усиливается к концу периода плавления шихты за счет присадки железной руды или агломерата и продувки ванны газообразным кислородом.
Переход FеО из шлака в металл ускоряется по мере увеличения концентрации FеО в шлаке, уменьшения содержания кислорода в металле, повышения температуры металла и уменьшения вязкости шлака. Окисление углерода осуществляется в объеме металла по реакциям:
(FеО) + [С] = [Fе] + СО и [С] + [О] = СО,
а также на границах раздела металл-шлак и металл – футеровка ванны печи по реакции
(FеО) + [С] = [Fе] + СО.
Окисление углерода в металле происходит с образованием и ростом гаховых пузырей СО, наполняющихся также Н2 и N2 и вызывающих “кипение” ванны.
Реакция окисления углерода при отсутствии зародышей газовых пузырей реально происходить не может. В свою очередь зародыши газовых пузырей образуются на поверхности контакта жидкой стали с футеровкой ванны печи и кусками железной руды и агломерата. При продувке металла газообразным кислородом его содержание в расплаве повышается и интенсифицирует окисление углерода и выделение из металла пузырьков СО. При содержании в металле 0,5% С и в шлаке 11,5% FеО концентрация кислорода в расплаве в условиях равновесия под основным шлаком составляет 0,025%, что соответствует верхнему пределу содержания кислорода. При этом нижний предел содержания кислорода в металле, отвечающий равновесию с углеродом в количестве 0,5%, равен 0,0065%.
[Fе] + 1/2 O2 = (FеО),
(FеО) = [О] + [Fе],
[С] + [О] = СО
[С] + 1/2O2 = CO.
Передача кислорода в металл осуществляется, главным образом, путем перехода его из шлаковой фазы в металл.
В кислых печах с высоким содержанием SiO2 в шлаках восстановление FеО на границе раздела шлак-металл приводит к образованию тонкой пленки кремнезема, которая, отделяя металл от шлака, будет препятствовать переходу FеО из шлака в металл. Перемешивание металла и шлака ускоряет диффузионные процессы.
