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

Одним из наиболее эффективных способов рафинирования металла является применение инертных и активных газов или газометаллургии, развивающейся в трех направлениях:

1) использование инертных газов для ускорения массообмена между расплавом и газовой фазой, а также выноса имеющихся в металле неметаллических включений. В качестве инертных газов применяют аргон, азот, иногда гелий [30, 31 ];

2) применение восстановительных газов для раскисления рас­ плава;

3) использование газообразных окисляющих смесей для обеспе­ чения глубокого обезуглероживания металла.

В результате продувки металла инертным газом уменьшается содержание водорода, кислорода, неметаллических включений и в ряде случаев серы. Продувка газом вызывает перемешивание металла, на поверхность выносятся продукты раскисления, в ре­ зультате чего общее содержание кислорода снижается. Уменьшение содержания кислорода и серы в расплаве может быть значительным, если до продувки их концентрации существенно превышали равно­ весные. Движущей силой процесса продувки металла инертным газом является низкое парциальное давление СО, Н 2, N2 в пузырьках вдуваемого газа.

Процесс взаимодействия металла и газа протекает через ряд последовательных ступеней. Так, поглощение водорода металлом включает диссоциацию молекул водорода на поверхности металла, адсорбцию атомов водорода на металле и переход адсорбированных атомов в раствор.

В случае образования атомарного раствора справедлив закон

На основе этой зависимости Сивертс эмпирически установил, что все газы, для которых справедлив закон квадратного корня, растворяются в металле одноатомно. Как известно, температурная зависимость растворимости газа (в нашем случае водорода) выра­ жается следующим уравнением:

_ L

Принимая во внимание (111-10) и (111-11), можно получить за­

64

няется в зависимости от температуры и состава. Ниже этого значе­ ния растворение газа не происходит. Аналогичные выкладки спра­ ведливы и для растворимости азота в расплаве.

Теоретические основы дегазации продувкой газом разработаны Геллером. Действие продувки основано на том, что между отдель­ ными газовыми пузырями и расплавом возникает градиент концен­ траций. В соответствии с законом Сивертса это приводит к диффузии растворенного газа в газовые пузыри.

Диффузия прекращается по достижении равновесия между газовыми пузырями и расплавом. Дегазирующее действие газового пузыря прекращается в тот момент, когда квадрат концентрации растворенного в расплаве газа становится равным его парциальному

Н2 (газ) ~ 2Н.

При определении количества аргона, необходимого для достиже­ ния заданного содержания кислорода, исходят из предпосылок, что исходное парциальное давление рсо = 1 ат, конечное рсо пропорциально содержаниям С и 0 2; при окислении углерода из металла удаляются примерно равные количества С и 0 2. Уравнение для определения теоретического расхода аргона имеет вид

р— общее давление на пузырек, когда он выходит в атмо­ сферу, ат

К— константа равновесия для реакции

[С]+ [0 ]^ { С 0 } газ;

/c/o — коэффициенты активности для С и 0 2.

Следует иметь в виду, что практически для достижения заданных концентраций газа в металле требуется несколько больший объем инертного газа по сравнению с определяемым по приведенным фор­

мулам.

При расходе аргона более 1,0 м3/т содержание кислорода в низко­ углеродистой стали оказывается таким же, как и в случае равнове­ сия с газовой фазой с парциальным давлением окиси углерода 0,17 0,35 ат [33]. При концентрации углерода в расплаве ниже 0,1% глубина раскисления стали возрастает с увеличением концентрации углерода, а также с уменьшением размеров газовых пузырьков и увеличением расхода аргона. При содержании углерода выше 0,1 % глубина раскисления не зависит от концентрации углерода и огра­ ничивается взаимодействием металла с футеровкой ковша. С увели­ чением расхода аргона глубина раскисления не увеличивается, так как в результате более интенсивного перемешивания усиливается взаимодействие металла с футеровкой. При большой емкости ковша, когда удельная поверхность футеровки относительно небольшая, можно добиться более глубокой степени раскисления. Среднее оста-

66

точное содержание кислорода в стали при продувке аргона близко к значениям, полученным при вакуумировании жидкой стали раз­ личными методами, что видно из следующих данных [33], %:

Преимущество раскисления металла продувкой аргоном заклю­ чается в том, что раскисление продолжается в течение всей продувки, тогда как при вакуумировании процесс раскисления практически заканчивается с прекращением кипения.

При барботировании жидкой стали аргоном или азотом незави­ симо от количества обрабатываемого металла можно снизить содер­ жание водорода в стали до 3 см3/0,1 кг [34].

В последующие годы [35, 36] проводятся работы по рафинирова­ нию жидкого металла смесями окислительных и инертных газов.

Аргоно-кислородное рафинирование высокохромистых расплавов основано на том положении, что при снижении парциального давле­ ния окиси углерода в результате разбавления кислорода, вдуваемого в хромистый расплав, аргоном можно обезуглеродить металл, содер­ жащий 18% Сг до 0,01% С при температурах, не превышающих 1750° С без существенных потерь хрома. Обычно при рафинировании чистым кислородом при тех же содержании углерода и температуре количество хрома составляет всего несколько процентов. Для уве­ личения его содержания вводят дорогостоящий безуглеродистый феррохром. Продувка аргон-кислородными смесями благотворно сказывается и на кинетике процесса, так как происходит постоянное перемешивание ванны пузырьками аргона.

На заводе фирмы «Джослин Стинлис Стил Див» (США) [37] опытную выплавку нержавеющей стали осуществляли по следу­ ющей схеме. Исходную шихту расплавляли в дуговой электропечи и при необходимости проводили десульфурацию. Жидкий расплав заливали в реторту и продували аргоно-кислородной смесью через фурмы, расположенные у дна реторты, изменяя соотношение кисло­ род—аргон в смеси в соответствии с содержанием углерода в металле. Температуру регулировали небольшими добавками кремнесодержа­ щих материалов и количеством кислорода в смеси. После достижения требуемого содержания углерода присаживали восстановительную смесь из силикохрома, необходимые легирующие добавки и проду­ вали расплав чистым аргоном для усреднения ванны и снижения температуры металла. Основные показатели рафинирования сле­ дующие: содержание углерода, кремния и хрома в исходном металле