Файл: Пирожников, В. Е. Автоматизация контроля и управления электросталеплавильными установками.pdf

При этом значение фактического коэффициента распределения

серы Ls не превышает 20 при равновесных его значениях в пределах 150—250 (выплавка стали типа ШХ15 под основными восстанови­ тельными шлаками). Таким образом, определяющим процесс рафи­ нирования расплава в печи от серы является кинетическое звено.

Значительного увеличения скорости процесса можно достичь, изменяя отношение S/G = 5УД и уменьшая толщину пограничного слоя б, т. е., увеличивая коэффициент массопередачи

Выполнить эти два важных условия можно сравнительно легко без снижения производительности сталеплавильного агрегата, обра­ батывая расплав при выпуске в сталеразливочный ковш жидким синтетическим или электропечным шлаком заданных составов я свойств (жидкий синтетический шлак получают в специальной) электропечи, электропечной — в обычной дуговой печи для стали. При этом резко возрастает как поверхность раздела фаз металл— шлак (в десятки раз), так и величина

т. е. толщина непромешиваемого слоя обратно пропорциональна

скорости набегающего потока и0 [26].

При этом скорость десульфурации возрастает примерно в 30 раз (при исходной концентрации [S] = 0,025%) и фактический коэф­ фициент распределения серы

достигает значений 100—190. При обработке металла шлаками в ковше, когда падением струи обеспечивается раздробление шлака на мелкие капельки и энергичное его перемешивание со шлаком, должна поддерживаться низкая вязкость как синтетического, так и электропечного шлаков (добавка плавикового шпата перед вы­ пуском плавки), так как только в этом случае обеспечивается тонкое диспергирование шлака и можно получить достаточную величину удельной межфазной поверхности металл—шлак.

J — коэффициент, учитывающий форму выпускного отверстия. При выпуске плавки из электропечи увеличение скорости исте­ чения металла обеспечивается быстрым и по возможности крутым

наклоном плавильного агрегата.

Следует отметить, что при прочих равных условиях рафинирова­ ние стали синтетическим или электропечным шлаками будет более

60

эффективным на печах большой емкости (100—200 т), имеющих ванну большой глубины.

В зависимости от типа сталеплавильного агрегата, физико-хими­ ческих условий плавки (например, температурных условий) и кон­ центрации углерода в металле к началу процесса рафинирования в расплавленной стальной ванне в растворе будет находиться то или иное количество кислорода.

Эти концентрации кислорода всегда выше концентраций, равно­ весных с углеродом, поэтому при избирательной кристаллизации металла в изложницах или в кристаллизаторах машин непрерывной разливки неизбежно образуется окись углерода, что приводит к образованию дефектов в слитках.

Поэтому процесс рафинирования стали в плавильном агрегате должен обеспечить уменьшение концентрации кислорода, остаю­ щегося в растворе в железе (по-видимому, в виде ионов О2или атомов О) и перевод большей части кислорода в форму включений, которые частично удаляются из металла и частично так распола­ гаются между кристаллами металла, что становятся наименее опас­ ными для служебных свойств стали (механических, коррозионных и др.). К основным свойствам неметаллических включений, явля­ ющихся продуктами раскисления следует отнести температуру плав­ ления, плотность и удельную межфазную энергию на поверхности контакта включений и металла, адгезию жидкого металла к вклю­ чениям или смачивание их металлом.

Все эти свойства оказывают влияние на кинетику процессов зарождения, укрупнения и всплывания включений при раскислении металла тем или иным компонентом раскислителя.

При рафинировании металла от кислорода в плавильном агрегате определяющим является процесс перехода образующейся новой фазы при введении в расплав раскислителя из металла в шлак.

С. И. Попель [27] определяет интенсивность образования заро­

где J — изменение изобарно-изотермического потенциала системы при выпадании вещества пересыщенного расплава из рас­ твора с образованием зародыша новой фазы;

m’ — число атомов на поверхности зародыша критического раз­ мера, т. е. устойчивого в расплаве;

V — объем, приходящийся на один атом исходной фазы (рас­ плава);

61

т — число атомов, находящихся в единице объема в исходной

фазе; К —■постоянная Больцмана;

h — постоянная Планка;

М — молекулярная масса выделяющегося вещества; р — плотность;

—-----пересыщение расплава;

R — газовая постоянная.

Интенсивность зарождения новой фазы зависит от исходных концентраций кислорода, а также количества и природы применяе­ мого раскислителя. Последующее удаление образующихся частиц осуществляется различными путями. Перемещение частиц продуктов раскисления может происходить под действием сил гравитации и сил теплового поля. При этом в реальных условиях микровключения могут удаляться из жидкой стали в том случае, если они достигают размеров, обеспечивающих существенное превышение гравитацион­ ных сил над силами теплового поля. Увеличение размеров включе­ ний в этом случае может быть обусловлено как самопроизвольной коагуляцией включений, т. е. действием сил одинаковой интенсив­ ности во всех направлениях, так и принудительной коагуляцией, т. е. когда имеется некоторое направленное силовое поле, например гравитационное, электростатическое и др.

Скорости самопроизвольной коагуляции и удаления включений чрезвычайно малы и не имеют практического значения.

В работе [28] убедительно показано определяющее влияние при­ нудительной коагуляции включений на скорость их удаления из стали. Отношение скоростей принудительной (ш0) и самопроизволь­

ной (дап) коагуляции достигает ІО5 [29].

Скорость принудительной коагуляции зависит от соотношения количества и радиусов больших частиц (центров очищения) и малых (коагулирующих). Вероятность соприкосновения движущихся ча­ стиц определяется, по данным С. И. Попеля, критерием Stk, который

Соприкосновение, например, малой частицы радиуса г = 0,006 мкм не может произойти, если радиус осаждающей частицы R меньше

100 мкм.

Массообмен кислорода между металлом и шлаком регламенти­ руется диффузией вблизи межфазной поверхности. Поэтому раскисленность стали при обработке ее на выпуске восстановительными шлаками зависит не только от окислительного потенциала шлака,

62

но и от степени развития межфазной поверхности и величины коэф­ фициента массопередачи

Последний определяется скоростью движения фаз (и) относи­ тельно друг друга, так как

Такие свойства шлака, как его вязкость и, следовательно, ско­ рость перемещения в нем ионов кислорода и железа играют значи­ тельную роль лишь тогда, когда обеспечена достаточно развитая поверхность контакта металла и шлака, в частности, при высокой степени диспергирования шлака и металла. Необходимость тонкого диспергирования не подлежит сомнению, однако, вероятно, суще­ ствуют некоторые оптимальные размеры шлаковых частиц, которые обеспечивают достаточную скорость передачи растворенного в ме­ талле кислорода в шлак и интенсивную адгезию неметаллических включений к капелькам шлака. Повышение значения межфазной удельной энергии на границе фаз металл—шлак приводит к смеще­ нию оптимальных размеров шлаковых капель в область более низких значений, т. е. укрупнение включений и их удаление из металла происходит быстрее.

Таким образом, процессы глубокого рафинирования металла в печи от серы и кислорода протекают весьма медленно, причем эффективность снижается с увеличением глубины ванны и емкости

сокоосновными восстановительными шлаками определенных со­ ставов в сочетании с раскислением и легированием расплава жид­ кими лигатурами и специальными сплавами может стать основой для построения эффективного технологического процесса получения высококачественной стали массового производства в крупных стале­ плавильных агрегатах. Неотъемлемой частью указанного техно­ логического процесса является рафинирование металла от раство­ ренных в процессе плавки водорода и азота. Снижение содержания в стали газов и кислорода достигается обработкой расплава вне печи вакуумом и барботажем пузырями.

Известно, что скорость реакций дегазации (их степень завершен­ ности) определяется при прочих равных условиях величиной по­ верхности раздела газ—металл, отнесенной к единице объема жид­ кого металла. Важное значение при этом имеет фактор обновления этой поверхности, т. е. перемешивание расплава. Поэтому в послед­ ние годы все большее распространение получают способы, позволя­ ющие обеспечить высокую удельную поверхность дегазации и интен­ сивное перемешивание расплава.

63