Термодинамическая оценка возможности окислительной десульфурации металла

Обладая переменной валентностью, серы при взаимодействии с кислородом образует несколько газообразных соединений, наиболее устойчивым из которых при температурах сталеплавильных процессов является SO₂.

Удаление серы из сталеплавильной ванны может протекать в результате взаимодействия с растворенным в металле кислородом

а также в результате окисления оксидами железа шлака

Обе эти реакции могут протекать, например, на поверхности всплывающих в металле пузырей оксида углерода.

Температурную зависимость константы равновесия реакции (11.1) описывает уравнение

Из уравнения (11.3) видно, что реакция (11.1) является слабой эндотермической реакцией. Поэтому изменение температуры не приведет к резкому изменению константы равновесия реакции. Среднее значение константы равновесия реакции (11.1) для температур сталеплавильной ванны можно принять равным 1,1•10^-3.

Приравняв активности серы и кислорода в металле их концентрациям, можно оценить величину равновесного парциального давления SO₂ в газовой фазе. Приняв среднее содержание серы в металле равным 0,04%, а кислорода 0,02%, получим

Аналогичные расчеты показывают, что для реакции (11.2) величина равновесного парциального давления SO₂ в газовой фазе составляет около 1 Па. Эти парциальные давления настолько незначительны, что за время плавки в результате протекания реакций (11.1) и (11.2) удалить из металла значительное количество серы не удается. Результаты исследований разных авторов показывают, что в кислородных конвертерах и мартеновских печах, отапливаемых чистым по сере топливом, количество окисленной серы не превышает 5 – 10% от исходного ее содержания в металлической шихте. Основное количество серы удаляется из металла в результате протекания других типов реакций, не связанных с окислением.

Крайне низкие значения равновесного парциального давления SO₂ в газовой фазе для реакций (11.1) и (11.2) создают предпосылки для протекания реакций в направлении поглощения металлом серы из газовой фазы. Это наблюдается, например, при использовании для отопления мартеновских печей высокосернистого топлива (мазут, коксовальный газ).

Поглощение серы металлом из газовой фазы может наблюдаться и в атмосфере крупных промышленных городов. Опыт работы электросталеплавильных цехов свидетельствует, что при использовании в завалке большого количества легковесного заржавленного металлического лома следует ожидать повышенного содержания серы в металле после расплавления.