книги из ГПНТБ / Кочо, В. С. Физико-химические и теплофизические особенности современного мартеновского процесса

характеризовать степень активизации процесса дефосфорации в ре­ зультате дачи боксита. Исследования показывают, что существуют оптимальные температуры ванны и основности шлаков, при кото­ рых необходимо давать присадку боксита в целях эффективного

дефосфорации намного ближе к состоянию равновесия, чем про­ цесс десульфурации (см. рис. 43), и при высоких температурах ванны может определяться термодинамическими условиями.

ОДНОВРЕМЕННОЕ ФОРСИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ И ДЕФОСФОРАЦИИ

Рассмотрим численный пример возможности осуществления од­ новременного форсирования процессов десульфурации и дефосфо­ рации при соблюдении оптимальных условий ввода боксита. Как

118

видно из рис. 43 и 55, процесс десульфурации и дефосфорации мо­ жно активизировать в области низких и высоких температур. В об­ ласти низких температур: tM= 1530-н-1550°С; Ca0/Si02= 1,9= 2,1;

боксита значения коэффициентов распределения серы и фосфора будут: (S)/[S] = 3,0-1,47«4,5; (Р)/[Р] = 60• 1,03^62.

Рассмотрим случай ввода боксита при высоких температурах:

(S)/ [S] = 4,9 • 1,12 = 5,5 и (Р)/ [Р] = 4,5 • 1,25= 56.

Как видно из сравнения приведенных данных, показатели про­ цесса десульфурации и дефосфорации в результате ввода боксита

примерно одного порядка. Однако учитывая современные возмож­ ности форсирования нагрева ванны, активизацию процессов десуль­ фурации и дефосфорации при помощи ввода боксита при опти­ мальном соотношении температуры металла и состава шлака сле­ дует считать наиболее целесообразной в области высоких темпера­ тур ванны, тем более, что активизация процесса десульфурации в области высоких температур является более успешной (сравните

(S)/ [S] = 4,5 и (S)/[S] = 5,5).

Г Л А В А 5

УДАЛЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

ИЗ МЕТАЛЛА В ПЕРИОД ДОВОДКИ

Одним из факторов, определяющих качество металла, является содержание в нем неметаллических, и в частности, оксидных вклю­ чений, поэтому повышение качества стали связано с изучением ус­ ловий образования и удаления включений из металла на всех эта­ пах передела чугуна в сталь.

Изучение режима неметаллических включений в процессе вы­ плавки стали в основной 600-т печи выполнено нами не столько для разработки способов уменьшения содержания включений в ме­

что кипящий металл вследствие интенсивного перемешивания и флотационного действия всплывающих пузырей окиси углерода содержит незначительное коли­ чество оксидов и по образному выражению Байкова представляет собой оптически прозрачную жидкость.

119

удаления различных оксидов из металла и выяснения механизма взаимодействия включений со сталью и шлаком, что крайне необхо­ димо для разработки оптимальных вариантов раскисления стали.

Хотя можно заметить, что условия образования включений по­ сле ввода раскислителей и конечное содержание включений в го­ товом металле в определенной мере зависят от содержания неме­ таллических включений в нераскисленном металле [19, 152, 153], поэтому полезно знать изменение содержания оксидов в нераскисленной стали в зависимости от условий выплавки.

В ванне мартеновской печи в период доводки содержание крем­ ния и марганца незначительно, алюминий отсутствует совсем и основным растворителем металла при температурах процесса явля­ ется углерод, поэтому эндогенные включения практически не обра­ зуются и в металле присутствуют неметаллические включения, в основном, экзогенного происхождения (тонкодисперсное эмульги­ рование и запутывание в металле частичек шлака, присадочных и заправочных материалов; включения, внесенные металлошихтой, разрушение наварки подины и т. д.). После заливки чугуна в пе­ риод плавления при интенсивной продувке ванны кислородом, в принципе, могут образоваться эндогенные включения (продукты окисления металлической ванны кислородом дутья), однако основ­ ная часть их удаляется из металла к началу доводки плавки, а оставшаяся часть присутствует в металле в период доводки в го­ товом виде и может рассматриваться в качестве внесенных извне (экзогенных) включений. Очевидно, что физическая картина взаи­ модействия со сталью и шлаком включений одинаковых размера и состава является единой и не зависит от природы происхождения включений (эндогенные или экзогенные).

Все это позволяет рассматривать мартеновскую ванну, особенно в период чистого кипения, как модель, удобную для изучения про­ цесса удаления оксидов из металла при различных гидродинамиче­ ских и теплофизических состояниях ванны. Напомним, что исследо­ вать динамику удаления включений из металла после ввода в него раскислителя гораздо сложнее, так как одновременно с удалением включений непрерывно происходит их образование (эндогенное происхождение), что вносит количественную неопределенность в анализ изучаемых явлений.

Поведение неметаллических включений в металле в период до­ водки изучали в основном на примере кипящих (Ст Зкп) и полуспокойных (Ст Зпс) сталей, выплавленных в 600-т печи по обычной технологии (34 плавки).

В работе [154] было исследовано поведение оксидных включе­ ний в процесс выплавки, анализируя на неметаллические включе­ ния плотную корку нераскисленного металла, образовавшуюся при остывании металла в хорошо ошлакованной ложке. Указанный спо­ соб отбора проб отличается большой трудоемкостью и вызывает трудности при определении неметаллических включений в металле, так как для электролитического растворения необходимы образцы металла диаметром 10—12 мм и длиной 110—120 мм [6]. Отметим,

120

что раскисление отбираемых проб металла алюминием недопу­ стимо, так как при этом происходит качественное и количественное изменение состава включений.

Для выделения включений из металла в том виде, в каком они присутствуют в кипящей ванне, в наших исследованиях использо­ вали специально разработанную пробницу [4,5], позволяющую на­ дежно отбирать пробы нераскисленного металла и определять в них содержание включений.

ПОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИИ

ВМЕТАЛЛЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАВКИ

ВПЕРИОД ДОВОДКИ

На рис. 56—58 представлено наиболее характерное изменение содержания неметаллических включений в металле в период до­ водки мартеновской плавки. Во всех случаях изменение концентра­ ции оксидов в металле во времени может быть представлено лома­ ной линией, восходящие участки которой характеризуют накопле­ ние включений в металле после ввода присадок и заправки печи порошком доломита, а нисходящие — удаление включений в период отсутствия присадок в результате эффективного перемешивания ванны и «промывки» ее всплывающими пузырями окиси углерода.

Экзогенная природа включений, образующихся в металлической ванне мартеновской печи подтверждается ростом таких составляю­ щих оксидных включений, как А120з после ввода боксита (рис. 56, на 35-й и 82-й мин; рис. 57, на 51-й мин) и FeO после ввода окалины (рис. 56, на 100-й мин; рис. 57, на 52-й мин), а также увеличением

рис. 57, на 45-й мин; рис. 58, на 55-й мин). Видимо, в месте ввода в ванну холодных сыпучих материалов вследствие резкого сниже­ ния температуры в месте контакта металла с присадкой или охлаж­ денным шлаком происходит запутывание соответствующих части­ чек и последующее эмульгирование их в объеме барботируемого металла. Аналогичное явление тонкого деспергирования шлаковой фазы металлом отмечено также при исследовании загрязненности неметаллическими включениями металла по ходу плавки в кисло­ родном конвертере [155]. Исследования природы загрязнения ме­ талла в процессе выплавки с применением радиоактивных изотопов [19] также подтверждают экзогенный характер оксидных включе­ ний, содержащихся в кипящем металле.

Возможность локального окисления марганца в верхних слоях металла, контактирующего с твердым окислителем в месте ввода присадки, можно проследить на примере двух плавок (рис. 56, на 100-й мин; рис. 57, на 53-й мин), когда после ввода окалины возра­ стает одна из составляющих оксидных включений МпО.

Сравнительный анализ показывает, что количество неметалли­ ческих включений в раскисленном металле (слитке) в 4—5 раз

121

Рис. 56. Изменение некоторых теплотехнических и технологических параметров плавки в пе­ риод доводки

122

[Н]т

с м *

100а

7

■6

5.

4

3

2

Рис. 57. Изменение некоторых теплотехнических и технологических параметров плавки в период доводки

123

больше, чем в стали на выпуске из печи (см. рис. 56 и 57), что хо­ рошо согласуется с результатами ряда исследований [19, 152, 153].

Учитывая, что исходное количество включений составляет 20— 25% конечного содержания неметаллических включений в раскис­ ленном металле, можно говорить об определенной роли этих вклю­ чений в процессах образования и удаления оксидов из металла и

ния неметаллических включений существуют в период чистого ки­

диться, если продифференцировать функцию (A R mO n и

A R m O nl2 ]R m O n) и аргумент ( J A t dx) по времени т.

о

Существование зависимости, представленной на рис. 59, можно считать вполне закономерным, если учесть, что всплывающие вклю­ чения испытывают меньшее сопротивление со стороны более пере­ гретого металла как более жидкотекучего (менее вязкого).

Наиболее тесная связь наблюдается для относительного коли­ чества удаленных включений, так как абсолютное количество уда­ ленных включений в общем случае определяется абсолютным уров-

124

нем загрязненности ванны включениями, что и вызывает большую

Т

дисперсию связи между ARmOn и ^Aidr.

о

Обнаруженная зависимость (рис. 59) представляет определен­ ный практический интерес, так как позволяет обоснованно подойти к выбору температурного режима плавки и длительности периода чистого кипения ванны в зависимости от требуемой степени очище­ ния металла от включений. Например, если для данной печи тре­ буется в период чистого кипения удалить ~60% содержащихся в ванне включений, то необходимо, чтобы интегральный показатель был равен 1600° С-мин (см. рис. 59). В зависимости от организа­ ционно-технических обстоя­ тельств возможны сочетания степени перегрева металла и длительности чистого ки­ пения ванны. Например, при

20мин; при Д/ = 55°С имеем

т«30 мин.

ванны содержание оксидов в металле плавки 2 было почти в два раза меньше, чем в металле плавки 1. Учитывая относительно рав­ ное количество оксидов, внесенных в ванну в готовом виде метал­ лической частью шихты, можно предположить, что благодаря более перегретому металлу плавки 2 часть включений удалилась из ме­ талла еще в период плавления. И хотя доводка плавки 2 (см. рис. 57) была короче на 30 мин (быстрее нагрели ванну до темпе­ ратуры выпуска), содержание оксидов в металле на выпуске было

плавки 3 (рис. 58), отличающийся от обычных тем, что в начале доводки металл имел очень высокую температуру (как на выпуске).

125

Именно благодаря высокому перегреву металла содержание окси­ дов в период доводки оставалось на низком уровне и изменялось в очень узких пределах. Подобный анализ большинства плавок по­

Таким образом, нами не подтвержден вывод Дерфеля 1об отсут­ ствии влияния температурного режима периода доводки на содер­ жание неметаллических включений в металле в процессе выплавки.

Следует подчеркнуть, что закономерность, представленная на рис. 59, отражает условия удаления сформировавшихся включений из расплавленного металла, выплавленного в печах емкостью

600т.

Впроцессе удаления включений из металла после ввода раскислителя связь между температурой металла и конечным содер­ жанием включений в нем является более сложной и требует специ­ альных исследований.

На данном уровне знаний закономерностей образования и уда­ ления включений из металла можно предположить, что существуют оптимальные температуры, обеспечивающие минимальное содер­ жание неметаллических включений в раскисленном металле.

Прежде чем обосновать существование оптимальных темпера­ тур, напомним, что интенсивность / образования включений при раскислении стали с учетом работы образования включений сфери­ ческой формы определяется равенством

где А — постоянный множитель; г — радиус включения;

о— межфазное натяжение на границе выделяющейся и исход­ ной фаз (включение— металл).

Наиболее благоприятные условия для образования включений (большое значение интенсивности /) существуют на участках с очень низким уровнем свободной энергии. Такими участками

вжидкой стали могут быть поверхности различных фаз или мик­ роструктур. Отсюда очевидны благоприятные условия образова­ ния неметаллических включений на поверхностях уже имеющихся

встали включений — выделение здесь новой фазы (включений) не сопровождается затратой работы на образование новых поверхно­ стей. У оксидных фаз близкого состава межфазная энергия обычно имеет низкие значения [153, 156], поэтому в жидкой стали местами наиболее вероятного зарождения включений (продуктов раскис­ ления) является поверхность имеющихся включений. В случае, если сталь до раскисления не содержала включений или их концентра­ ция была очень низкая, формирование новой фазы (продуктов рас­

1Д е р ф е л ь А. Г. Температурный режим периода доводки основной мар­ теновской плавки. Автореф. канд. дис. Днепропетровск, 1955.

12В

кисления) начинается у поверхности кристалликов металла [156] или кристаллических структур [153], возникающих в объеме жид­ кого металла.

Согласно теории микрокристаллического строения, жидкая сталь состоит из мельчайших кристалликов: каждый микрокри­ сталл, состоящий из нескольких десятков или сотен атомов, пред­ ставляет собой область, где существует ближний порядок. Межфаз­ ное натяжение для случая зарождения в жидком металле твердых кристалликов самого металла составляет всего 30—40 эрг/см2 [156], поэтому существование твердых кристаллических образований в жидкой стали не вызывает сомнения.

Наличие кристаллических структур в жидком металле обуслов­ лено особенностью ориентации атомов, стремящихся к такому вза­ имному расположению, при котором уровень свободной энергии системы будет наименьшим [156]. При высоких температурах та­ кие структуры в жидком металле обладают небольшой устойчиво­ стью (время существования твердых кристалликов металла очень мало). Однако по мере понижения температуры стали они стано­ вятся все более стабильными в соответствии с уменьшением уро­ вня свободной энергии металла. Одновременно с этим, возможно, увеличивается концентрация таких структур [153].

На основании изложенного очевидно, что чем больше включе­

больше вероятность их всплывания до начала кристаллизации ме­ талла. В случае образования неметаллических включений в основ­ ном на поверхностях микроструктур и кристалликов металла они могут не успеть удалиться из металла и остаться в нем, так как про­ цесс образования включений на указанных поверхностях идет тем более успешно, чем ниже температура металла (меньше его жидкоподвижность).

Возвращаясь к вопросу о существовании оптимальных темпера­ тур, обеспечивающих наименьшее содержание неметаллических включений в раскисленном металле, отметим, что при чрезмерно низких температурах металла (малой степени перегрева), учиты­ вая возможно повышенное исходное содержание неметаллических включений в металле, можно ожидать, с одной стороны, повыше­ ния интенсивности образования неметаллических включений после

до момента затвердевания последнего из-за необходимости преодо­ левать при движении большее сопротивление со стороны вязкого металла. Второй фактор может оказаться превалирующим и со­ держание неметаллических включений в металле будет повы­ шенным.

При чрезмерно высоких температурах (перегревах) металла, учитывая возможно пониженное исходное содержание неметалли­ ческих включений в металле, можно ожидать, с одной стороны,

127