Дефосфорация металла

Окисление фосфора и удаление его из металла имеет большое практическое значение, особенно при производстве высококачест­венных сталей. Фосфор является вредной примесью в стали и даже незначительное повышение его содержания приводит к снижению ударной вязкости металла.

При высоком содержании фосфора сталь приобретает склонность к хладноломкости, т. е. к образованию трещин при деформации стали в условиях пониженных температур.

Фосфор растворен в жидком металле в виде химического соедине­ния — фосфида железа Fе₃Р. В период плавления шихты окисление фосфора происходит по реакции

2[Fе₃Р) + 5[FеО] = (Р₂0₅) + 11 [Fе].

Пентаоксид фосфора Р₂О₅ — неустойчивое, легко диссоциирую­щее при высоких температурах соединение. Он не растворяется в ме­талле и переходит в шлак, образуя в условиях процесса в основных электрических печах прочное соединение с оксидом кальция шлака по реакции:

(Р2О5) + 4(СаО) = (4Са0 * Р₂0₅).

Если просуммировать две вышеприведенные реакции, то получим следующее выражение для общего процесса:

2[Fе₃Р] + 5[FеО] + 4(СаО) = (4Са0 * Р₂0₅) + 11 [Fе].

Константа равновесия этой реакции

К= (4СаО*Р₂0₅)-[Fе]¹¹/([Fе₃Р]²_*[FеО]⁵ * (СаО)⁴).

В этом выражении [Fе] = 1. Кроме того, с учетом малых концентра­ций [Fе₃Р] и [FеО] их заменяют приблизительно равными значениями. В результате константа равновесия реакции окисления фосфора принимает вид

К= (4Са0 * Р₂0₅)/([Р, %]² * [0, %]⁵  * (СаО)⁴).

Из условий равновесия реакции следует, что увеличение [FeO] в металле и (СаО) в шлаке — необходимые условия для понижения со­держания фосфора в металле, т. е. для развития реакции вправо. За­висимость константы равновесия реакции дефосфорации от темпе­ратуры отражает уравнение: lgK = (73600/Т) — 29,74, из которого следует, что с понижением температуры значение константы увели­чивается, т. е. создаются благоприятные условия для более полного перехода фосфора из металла в шлак. Поэтому борьба с фосфором с наибольшей эффективностью может быть проведена в начале окис­лительного периода, когда металл еще не нагрет до температуры, не­обходимой для интенсивного окисления углерода. При нагреве высо­коуглеродистого расплава [С] > 1% до 1580 °С в шлаке снижается со­держание FeO и дефосфорация замедляется.

При введении в завалку ~3% извести и во второй половине пери­ода расплавления введение -0,7% железной руды или агломерата от массы садки приводят к тому, что значительная часть фосфора удатя- ется из металла еще в период расплавления, а своевременное скачи­вание шлака из печи через порог рабочего окна обеспечивает к нача­лу кипения ванны содержание фосфора в ней ≤0,015%.

На дефосфорацию металла существенно влияют основность и вязкость шлака.

Увеличение основности шлаков является более эффективным спо­собом дефосфорации металла, чем повышение содержания в нем FeO. В то же время, при основности шлака >2,0 и содержании FeO∼10% увеличение FeO обеспечивает более интенсивную дефосфорацию ме­талла, чем дальнейшее повышение основности. Скорость дефосфора­ции в значительной степени зависит от вязкости шлака. Чем меньше вязкость шлака, тем быстрее достигается состояние равновесия меж­ду металлом и шлаком. Уменьшение вязкости шлака при его постоян­ной основности интенсифицирует процесс дефосфорации метала.