Дефосфорация стали в слабоокислительных и восстановительных условиях. Особенности дефосфорации высоколегированных расплавов

Существенно отличающиеся возможности проведения окислительных процессов при плавке стали в кислород­ных конвертерах и плавке в дуговых печах вызывают необходимость применения разных технологических приемов дефосфорации при вы­плавке стали в этих агрегатах.

Особенностью плавки стали в кислородном конвертере является интенсивная дефосфорация с самого начала продувки (см. рис. 10). В первый период продувки, т.е. до начала окисления углерода, этому способствует быстрое нарастание содержания (FeO) в шлаке и, свя­занное с этим, интенсивное растворение извести с соответствующим ростом содержания (CaO). Весьма важно то, что эти процессы проте­кают при относительно низкой температуре.

Как известно, дефосфорация стали происходит в результате раз­вития реакции

2[P] + 5(Fe²⁺) + 8(O²-) = 2(PO₄³-) + 5[Fe]

Как следует из этих уравнений, именно отмеченные выше усло­вия начала продувки, высокое содержание FeO и CaO в шлаке и низ­кая температура ванны, необходимы для дефосфорации стали.

Окисление фосфора продолжается и в первой половине второго периода. В это время отрицательное влияние на дефосфорацию по­нижения содержания (FeO) и повышения температуры компенсирует­ся значительным повышением содержания СаО и понижением содер­жания SiO₂ в шлаке, и, следовательно увеличением основности шлака. Во второй половине второго периода содержание фос­фора в металле стабилизируется.

При дальнейшем понижении содержания углерода в металле в конце плавки (III период) вследствие стремительного роста содержа­ния FeO и CaO в шлаке вновь происходит интенсивная дефосфора­ция, даже при высокой температуре.

При содержании фосфора в чугуне ≤ 0,3 % получение обычно допустимого содержания его в стали не вызывает трудностей. При более высоком содержании фосфора в чугуне приходится применять дополнительные меры для его удаления. Обычно для этого производят смену шлака в конвертере: шлак скачивают и наводят новый. Чугун, содержащий более 0,4-0,5 % Р, не используют вследствие значитель­ного усложнения дефосфорации и связанного с этим удорожания ста­ли. Процесс делается вновь рентабельным при содержании фосфора 1,4-2,4 % вследствие того, что в результате конвертерной плавки ста­ли дополнительно получается используемый в сельском хозяйстве в качестве удобрения фосфат шлак (P₂O₅ ≤ 14 %). Такой процесс пере­дела высокофосфористого чугуна широко используется в Западной Европе. При плавке стали в дуговой печи условия дефосфорации менее благоприятны вследствие медленного шлакообразования и низкого содержания FeO в шлаке периода плавления, когда температура ме­талла еще низкая, что создает условия для удаления фосфора.

Для ускорения шлакообразования в период плавления в конце за­валки в ДСП присаживают железную руду, таким образом, искусст­венно увеличивая количество оксидов железа в ванне. Главным же образом дефосфорацию проводят в окислительный период вместе с окислением углерода. С этой целью после расплавления и нагрева ванны в нее присаживают одновременно железную руду и известь. Резкий подъем содержания оксидов железа в шлаке способствует бы­строму растворению извести и, вследствие одновременного повыше­ния содержания (FeO) и (CaO), происходит дефосфорация стали.

Кроме термодинамических условий, состава шлака и температу­ры, на количество удаленного из металла фосфора влияет количество шлака. Для того чтобы убедиться в этом, составим упрощенный ба­ланс плавки по фосфору:

[P₀] G _шихт =[P] G _мет + 0,437(P₂O₅) G _шл,

где Р0 - содержание фосфора в шихте; G - масса; индексы: шихт -в шихте; мет - в металле; шл - в шлаке; 0,437- коэффициент, учиты­вающий долю Р в Р₂О₅. Учитывая, что G _шихт ≈ G _мет и G _шл = aG /100,

где а - количество шлака в % от массы металла, получим

[P₀] = [P] + 0,437(P₂O₅) a /100,

Как видно из полученного уравнения, содержание фосфора в ме­талле понижается с увеличением коэффициента распределения его между шлаком и металлом, (%Р₂О₅)/[%P], который зависит от состава шлака, и с увеличением количества шлака, (а). Поэтому в окисли­тельный период с присадками железной руды и извести, равномерными порциями, следует обеспечить сход достаточно жидкоподвиж-ного пенистого шлака. Таким образом, вследствие схода шлака и непрерывной наводки нового, количество шлака, участвующего в про­цессе, увеличивается. Кроме того, при сходе шлака часть фосфора удаляется из ванны, и он не может быть восстановлен после окончания окислительного периода, когда понижается содержание FeO в шлаке и повышается температура.

Правильно организованный температурный режим окислительного периода, без чрезмерного перегрева и без чрезмерного охлаждения присадками железной руды, постоянное обновление шлака при поддержании его основности 2,7–3,0 и содержания (FeO) 15–20 % позволяют без особых затруднений получать в стали ≤ 0,010–0,012 % [P].