Кинетика десульфурации металла за счет твердых тел

(порошкообразными десульфураторами)

Для понижения содержания серы в металле металлурги во многих странах давно применяют различные твердые присадки. Чаще всего для десульфурации чугунов применяли запрессованный в специальные патроны порошкообразный СаС₂, (иногда в смеси с плавиковым шпатом), порошкообразную известь и другие присадки.

Экспериментаторы и производственники, учитывая малые скорости диффузии в твердых телах, стремились облегчить процесс десульфурации и повысить его эффективность за счет увеличения удельной поверхности контакта твердых десульфураторов с металлом, например, давая десульфуратор в порошкообразном виде. Однако время пребывания таких порошкообразных присадок в контакте с жидким металлом (чугуном или сталью) часто было слишком незначительным и в результате эффективность десульфурации даже при вводе вместе с известью раскислителей (Al, Fe-Si и др.) не всегда оказывалась достаточной. Именно этим объясняется успешная эксплуатация в некоторых странах вращающихся печей для длительной десульфурации чугунов за счет свежеобожженной извести. Этот вопрос необходимо рассмотреть подробнее.

О процессах, протекающих на поверхности контакта металла и порошкообразной извести можно составить некоторое представление по работе [122], где изучался процесс растворения кусковой извести в кислородно-конвертерном шлаке. Из рис. 34 видно, что в течение даже длительной выдержки (при t ~1480 °С) на поверхности кусков извести образуется пронизанный компонентами шлака слой толщиной всего 200-300 микрон. Скорость просачивания через него компонентов шлака зависит от его состава и температуры. Например, коэффициент диффузии оксидов железа составляет при температурах 1266 °С, 1371 °С, 1482 °С соответственно 3,23×10^-11 3,35×10-⁹ и 3,72×10^-8 см²/сек [122]. Толщина этой "прошлакованной" зоны определяется уравнением:

y=kt, (108)

где у – толщина "прошлакованного" слоя;

t – время;

К – константа скорости роста толщины "прошлакованной" зоны.

В исследованном интервале температур (до 1482 °C) k_max£1,25×10^–11 м²/сек. Таким образом, в этих условиях скорость поглощения серы известью должна быть очень мала. Это подтверждается многочисленными промышленными опытами по десульфурации чугунов измельченной известью, хотя термодинамически этот процесс весьма возможен.

В работе [123] была изучена растворимость серы в насыщенном углеродом железе в присутствие CaO, CaS и оксида углерода. Полученные результаты подтвердили положение о реальности протекания процесса десульфурации известью. В работе [124] приведены интересные данные о десульфурации стали в вакуумной индукционной печи с использованием твердой плавленной извести и присадок в металл алюминия. Здесь ставилась задача достижения весьма высокой степени десульфурации стали – стремились достичь окончательного содержания серы в металле в пределах 0,001-0,002 %. Несомненно, что при использовании весьма плотной, кристаллически и химически очень неактивной плавленной оксида кальция, ведущим звеном процесса десульфурации является диффузия серы в извлекающей ее "внешней" твердой фазе. Это наглядно демонстрирует рис. 35. Он также показывает, что скорость десулъфурации резко возрастает при использовании для раскисления металла алюминия. В работе [124] c помощью петрографического и микро-рентгеноспектрального анализа установлено, что в этом случае в толщу плавленной оксида кальция проникает жидкий алюминат кальция – (СаО)₅×(Al₂O₃)₃ (t_пл=1430 °С) или (СаО)₃×Al₂O₃ (t_пл=1530 °С), который отлично растворяет серу и играет основную десульфурирующую роль. Проникновение образующегося при плавке цинка и серы в толщу плавленной извести видно по таблице 8. Очевидно, что в этом случае десульфурация металла протекает по схеме:

2СaO_тв+[S]+2/3[Al]=(CaS)+1/3(CaO)₃Al₂O₃

Таблица 8 – Химический состав исходной плавленной СаО и стенок тигля после 13-ти проведенных в нем плавок

Возможно также, что в этом благотворную роль играет и восстановление кальция алюминием, и прямое взаимодействие с серой кальция, еще не успевшего испариться из металла. Таким образом, в определенных условиях заметную роль в кинетике десульфурации могут играть твердые фазы: известь, огнеупоры и т.п., в особенности если они смачиваются активными по отношению к сере легкоплавкими соединениями.

ГЛАВА 4.