Сера является вредной примесью в стали, понижающей свойства металла. На всех стадиях производства стараются снизить содержание серы в металле. Принимают возможные меры для удаления серы в ходе доменной плавки. В чугуне может растворяться до 0,9 % S. Основная часть серы вносится в доменную печь с коксом, меньшая доля с агломератом или рудой — в виде сернистого железа FeS, пирита Fe2S2, сульфатов BaSO4, CaSO4 и т. п. Некоторое количество серы переходит в газообразное состояние и удаляется вместе с газами в виде SO2, H2S. При выплавке передельного чугуна уносится с газами до 15 %, а при выплавке литейного чугуна — до 20 % серы. Сера, переходящая из кокса в виде H2S, SO2, взаимодействует с металлом, известью, образуя FeS, CaS.
Значительная доля серы остается в металле и в шлаке. Для удаления серы из чугуна (т. е. десульфурации чугуна) необходимо перевести ее в соединение CaS, нерастворимое в чугуне. Для этого необходимо создание в доменной печи жидкого, хорошо нагретого шлака с высоким содержанием CaO. При выполнении этого условия протекает реакция Fe+ [S] + (CaO) = (FeO) + (CaS).
„ v (CaS) (FeS) константа равновесия которой K= – ——— .
F К [S] (CaO)
Ca0/Si02
Рис. 35. Зависимость коэффициента распределения серы от основности шлака
В квадратные скобки заключены элементы или соединения, растворенные в металле, а в круглые — растворенные в шлаке. В данном случае растворена в чугуне сера. Если обозначить отношение (CaS)/[S] =L, где L — коэффициент распределения серы между шлаком и металлом, то он будет равен К• (CaO)/(FeO). Отсюда следует, что десульфурация металла идет тем полнее, чем больше извести в шлаке и меньше FeO. Для обеспечения лучших условий десульфурации необходима высокая температура в горне, которая обеспечивает хорошую жидкопод – вижность шлака, обусловливающую протекание реакций удаления серы с высокой скоростью. Из рис. 35 видно, как влияет основность и температура шлака на коэффициент распределения серы. С повышением температуры шлаки становятся менее вязкими, скорость диффузии серы в шлаке возрастает, а это благоприятствует достижению более высоких коэффициентов распределения серы между шлаком и металлом, т. е. переходу серы в шлак. При использовании низкосернистого кокса заводы выплавляют чугун, содержащий 0,02—0,04 % S, однако в большинстве случаев применяется кокс с высоким содержанием серы, и получить низкосернистый чугун является трудным делом. Удаление серы из чугуна может происходить и после выпуска металла из печи в ковш по реакции [S] + [Mn] = (MnS), равновесие которой сдвигается в сторону перехода серы в шлак по мере понижения температуры. Степень удаления серы из чугуна зависит от содержания марганца в чугуне, продолжительности хранения чугуна в ковшах, температуры чугуна и т. п. Этот способ удаления серы в доменном процессе требует поддержания высокой концентрации марганца в чугуне (1,5—2,0 %)¦ Для этого нужно вводить в состав шихты марганцевую руду, увеличивать расход кокса.
Серу можно удалять из чугуна и вне доменной печи путем обработки чугуна десульфурирующими реагентами. При внедоменной десульфурации чугун обрабатывают содой, при этом протекает реакция Na2CO3+[S]+Fe = (Na2S) + (FeO) +CO2; сернистый натрий переходит в шлак, FeO восстанавливается углеродом. При таком способе десульфурации содержание серы в чугуне понижается до 0,010%- Более дешевым способом является десульфурация порошками извести и карбида кальция или обработка чугуна магнием. Особенно эффективно применение внедоменной десульфурации чугуна при работе на коксе с высоким содержанием серы. Хотя методы внедоменной десульфурации и требуют дополнительных затрат на специальные сооружения и десульфурирующие реагенты, что повышает себестоимость чугуна, однако в целом эти затраты окупаются в сталеплавильном производстве.