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.