Процессы очистки металла от серы и фосфора

Термодинамика процесса десульфурации. Сера — вредная примесь в стали и других металлах. Ее наличие является причиной горячей ломкости стали, т.е. потери ею механических свойств при повышенных температурах. Обладая повышенной склонностью к ликвации (неоднородности состава сплава) из-за меньшей растворимости в твердом металле, чем в жидком, сера выделяется на границах металлических зерен в виде легкоплавкой оксидно-сульфидной эвтектики с /пп = 980 °С. Поэтому при горячем пластическом деформировании стали при 800—1200 °С происходит разрушение стального проката. При выпуске жидкой стали из печи в слитках могут появиться области с повышенным содержанием серы. При сварке и литье сера может вызвать образование трещин при кристаллизации металла — так называемых горячих трещин.

Наиболее активное очищение от серы (до уровня менее 0,005%) производится с помощью шлака. Созданием благоприятных условий контакта шлака с металлом (меньше вязкость и поверхностное натяжение), высокой температурой, большой поверхностью контакта и т.п. можно обеспечить высокую степень десульфурации. Обычно сера извлекается из металла путем перевода ее в устойчивое соединение CaS с помощью СаО шлака:

Видно, что для более полной десульфурации необходимо обеспечить: 1) высокую активность, или концентрацию, СаО в шлаке; 2) пониженную окисленность шлака (FeOi). Введение в металл элементов, повышающих активность серы в нем, увеличивает коэффициент распределения серы. Это Mn, Al, Si, С.

Повышение температуры слабо влияет на К2 60. Однако на практике хорошо известно, что более полное удаление серы возможно только при хорошо нагретой ванне. Это объясняется ускорением реакции (2.60) с повышением температуры, т.е. кинетикой процесса. Процесс десульфурации на практике никогда не достигает равновесия из-за невысокой скорости диффузионных процессов.

Термодинамика процесса дефосфорации. Фосфор в большинстве случаев является вредной примесью в металле. Вызывает ломкость стали и других сплавов в холодном состоянии (хладноломкость). Исключение составляют лишь литейные сплавы, в которых фосфор повышает литейные свойства, особенно у чугуна. Фосфор, как и сера, имеет повышенную склонность к ликвации.

Вредное влияние фосфора на свойства стали обусловлено следующими факторами: 1) значительное расширение двухфазной твердожидкой области на диаграмме состояния приводит к развитию процессов первичной ликвации; фосфор также снижает у-область в этой системе, а это облегчает развитие сегрегации в твердом состоянии; 2) малая скорость диффузии фосфора в а и у-железе усугубляет неоднородность сплава.

Фосфор оказывает охрупчивающее воздействие на металлическую матрицу, которое усиливается под влиянием третьих компонентов. Углерод или марганец вытесняют фосфор из объема зерен на их поверхность, что приводит к ослаблению межкристаллитных связей и снижает пластичность и вязкость металла.

Фосфор имеет высокое сродство к кислороду. Поэтому его удаление в основном протекает в окислительных условиях, характерных для сталеплавильных процессов. Из-за быстрой кристаллизации шва при сварке процесс окисления фосфора не получает существенного развития, поэтому желательно, чтобы основной, присадочный металлы и флюсы содержали мало фосфора (менее 0,03—0,05%).

Окисление Р в металле происходит в объеме металла по реакции

на границе шлак — металл

Однако большая часть Р205 растворяется в металле. Поскольку это кислый оксид, кислым шлаком связать его невозможно. Поэтому в достаточной степени очистить металл от Р можно только с помощью основного шлака, содержащего СаО:

Суммарная реакция может иметь вид

Видно, что для успешного удаления фосфора необходимо обеспечить: 1) повышенную основность шлака (яСа0^); 2) повышенную окисленность шлака (яРе0Т); 3) пониженную Т, так как окисление фосфора — экзотермический процесс.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >