Файл: Сергеев, А. Б. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали.pdf

Поскольку в условиях вакуумной плавки равновес­ ная концентрация ряда элементов, например марганца, азота и водорода, значительно ниже фактически дости­ гаемой, уравнение (11) можно записать в более простой форме:

dx V

Процесс может быть описан аналогичным по форме уравнением и в том случае, когда самой медленной его стадией оказывается десорбция атомов с поверхности расплава:

dx V

Для двухатомных газов это уравнение неприменимо, так как для них должна была бы соблюдаться квадра­ тичная зависимость скорости испарения от концентра­ ции. Если в дальнейшем, анализируя процесс удаления азота и водорода, мы и станем пользоваться уравнением первого порядка, то лишь потому, что этот процесс, по мнению большинства исследователей, лимитируется не десорбцией, а массопереносом.

В уравнениях (12) и (13) различны, несмотря на оди­ наковую размерность (см/с), лишь удельные константы скорости /(д и Ки- Первая из них имеет физический смысл коэффициента массопереиоса и равна отношению коэф­ фициента диффузии D к толщине так называемого непромешиваемого (диффузионного) слоя б. Вторая кон­ станта, в соответствии с известным уравнением Лэнгмюра, может быть представлена в следующем виде:

где а — коэффициент, учитывающий частичное возвра­ щение испарившихся молекул или атомов в расплав;

р°— упругость пара элемента при данной темпера­ туре;

у— коэффициент активности;

р— плотность;

М — молекулярная масса; Т — температура металла; R — газовая постоянная.

45

и испарения — соизмеримы. При этом обе они в той или иной степени контролируют переход в газовую фазу. Эффективная суммарная константа скорости такого про­ цесса складывается из коэффициента массопереноса

После интегрирования и замены Ки и /Сд па К с урав­ нения (12) и (13) приобретают более удобный для прак­

где С0 и С — начальная и конечная концентрации компо­ нента. Отношение S/V в этом уравнении представляет собой удельную поверхность расплава.

Следует отметить, что непосредственное применение

т. е. скорость испарения на этих участках может сущест­ венно различаться. Наконец, существует мнение [43], что на эффекте испарения металлов может сказываться ионизирующее действие дугового разряда: в результате ионизации атомов в межэлектродном промежутке испа­ ряющая поверхность ограничивается зазором между электродом и стенкой кристаллизатора.

Во-вторых, недостаточно определенен и объем жидко­ го металла V. Отождествляя его с объемом жидкой ван­ ны, мы не учитываем возможность испарения на электро­ де. Кроме того, сама жидкая ванна непрерывно обнов­ ляется: часть металла затвердевает, вместо него в ван­ ну поступает расплав с электрода.

46

Неясно также, чем руководствоваться при определе­ нии времени испарения, которое в значительной степени зависит от других факторов, в частности от того, на ка­ кой поверхности преимущественно идет этот процесс.

Эти затруднения делают необходимым формальный подход к описанию рассматриваемых явлений, облегчаю­ щий анализ экспериментальных данных п позволяющий, в конечном счете, сделать ряд выводов о месте и меха­ низме испарения ряда компонентов при ВДП.

Временно отказавшись от поисков действительной поверхности испарения, примем, что площадь ее равна площади сечения кристаллизатора 5,;. Объем жидкой фазы и время процесса необходимо определять одновре­ менно. Так, если в качестве объема принять объем жид­ кой ванны, то в качестве т в формуле (16) должно фигу­ рировать время пребывания ванны в жидком состоянии.

что за время переплава тп он полностью проходит через

При подстановке в формулу (15) получим

Эффективная константа скорости К'с в этом выраже­ нии отличается от реальной константы прежде всего по­

ствляется лишь на части зеркала ванны, например в за­

зоре между стенкой кристаллизатора и электродом, то а5> 1 .

47

В результате получаем формулу для определения эф­ фекта испарения или дегазации при ВДП в следующем виде:

Несмотря па то что это соотношение окажется весь­ ма полезным при анализе поведения некоторых приме­ сей и газов в условиях переплава, оно все же не учиты­ вает влияния ряда технологических факторов столь же полно, как это удается например при вакуумной индук­ ционной плавке. Для индукционной печи более строго и точно определяются поверхность и время испарения, объем жидкого металла.

Еще одна особенность ВДП состоит в том, что изме­ нение отдельных факторов плавки неизбежно влечет за собой отклонения и по другим параметрам. Так, напри­ мер, увеличение силы тока одновременно повышает ско­ рость плавления электрода, температуру жидкой ванны и, по-видимому, степень ионизации паров в дуговом про­ межутке. Все это затрудняет выделение в чистом виде роли различных факторов и побуждает рассматривать константу скорости /Со лишь в качестве условно постоян­ ной величины, отражающей в обобщенном виде условия дистилляции примесей пли дегазации металла при ВДП.

Эти явные недостатки представленной модели процес­ са можно частично компенсировать сопоставлением ки­ нетических характеристик, полученных при анализе ва­ куумного дугового переплава, с аналогичными характе­ ристиками, найденными в условиях плавки в вакуумной индукционной печи. Сопоставимость результатов в этом случае может быть обеспечена, если применить для оценки эффективности процессов испарения и дегаза­ ции в обоих агрегатах выражение

где % — приведенное время плавки (с/см), равное в слу­ чае ВДП — , а в случае ВИП тS/V и учиты-

вающее, что значимость единицы времени ис­ парения тем выше, чем больше удельная по­ верхность расплава SJV.

48

Описанные закономерности целесообразно использо­ вать для анализа процессов испарения из металла при ВДП некоторых элементов, а также удаления раство­ ренных газов, прежде всего азота и водорода.

ИСПАРЕНИЕ МАРГАНЦА

Интенсивному испарению марганца при переплаве марганецсодержащей стали способствует высокая упру­ гость пара этого элемента в диапазоне температур, наб-

Рис. 15. Изменение содержания марганца в конструкционной стали при ВДП в кристаллизаторе диаметром 400 мм и силе тока 7,0—7,5 кА

людаемых обычно в зоне плавления. О доле марганца в составе выделяющегося из этой зоны пара можно су­ дить по содержанию его в конденсате на стенках кри­

правило, для одних и тех же условий переплава наблю­ дается линейная зависимость между исходным и конеч­ ным содержанием марганца. Такая зависимость показа­ на на рис. 15, на котором обобщены результаты плавок, проведенных в кристаллизаторе диаметром 400 мм при силе тока 7—7,5 кА. Среднее значение потерь независи-

мо от исходного содержания марганца, менявшегося в достаточно широких пределах, составило для указан­ ного варианта технологии ~ 40% . Как видно из табл. 7, эта величина заметно зависит от скорости плавления и

диаметра слитка.

Т а б л и ц а 7

С увеличением скорости плавки потери марганца за­ метно уменьшаются, а при одинаковой скорости с увели­ чением диаметра слитка — растут.

Анализ влияния всех этих факторов целесообразно, по-видимому, провести с использованием формальной модели, описанной в предыдущем параграфе. В ходе этого анализа необходимо уточнить, что следует пони­ мать под поверхностью испарения, а также попытаться выяснить, какая стадия процесса является лимитирую­ щей. Ответить на эти вопросы помогут результаты ис­ следований, проведенных с изменением в широком диа­ пазоне условий переплава, и сопоставление этих резуль­

т. е. потери этого элемента должны зависеть от площади поверхности испарения, учитываемой коэффициентом

50