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

шлака наблюдаются более высокие концентрации окиси железа, чем во всей толще шлака. Вблизи границы шлак—металл содер­ жание РегОз незначительно. Концентрация закиси железа значи­ тельно ниже в слое шлака, контактирующем с печной атмосферой, чем в толще шлака.

Однако в указанных выше работах отсутствуют данные о со­ держании окислов железа в переходном слое шлак—металл.

В связи с тем что процесс перехода кислорода из атмосферы печи в металл является многостадийным [19], представляется ин­ тересным изучение особенностей распределения кислорода в пе­ реходном слое шлак—металл. Тем более что расчеты С. И. Попеля [40] сопротивлений каждого из многих звеньев реакции окисления

самое большое сопротивление процессу окисления углерода ока­ зывают стадии доставки кислорода к поверхности шлака и пере­ хода через границу газа со шлаком; а следующим по значимости этапом является переход кислорода через границу шлак—металл.

(Ш) и переходного шлак—металл (Ш—М), и кончая поверхностью контакта его с металлом (М). Верхние слои шлака названы псевдоспокойными по сравнению с нижележащими слоями, находя­ щимися в подвижном и развитом контакте с рафинируемым ме­ таллом. В дальнейшем для краткости верхние слои шлака будем называть спокойными. На рис. 10—16 указаны номера пазов гре­

переходного слоя шлак—металл сравнительно большая. По-види­ мому, это объясняется большой интенсивностью перемешивания ванны, слагающейся из совместного действия всплывающих пузы­ рей окиси углерода и углекислого газа вследствие возможного продолжения в этот период известного кипения (разложение из­ вестняка на подине). Как видно из рис. 10, в спокойном слое шлака происходит накопление кислорода (Ог) на границе с пере­ ходным слоем (паз 6). В переходном слое шлак—металл вследст­ вие развитой поверхности контакта металла и шлака происходит

30

интенсивный переход кислорода из шлаковой фазы в металличе­ скую. На границе контакта переходного слоя с металлической ван­ ной (пазы 1, 2), по-видимому, вследствие заторможенности про­

Причиной низкого значения коэффициента распределения кисло­ рода между шлаковой и металлической фазами может быть, на­

Ф

М

рис. 10) является классической иллюстрацией реакции между ме­ таллом и контактирующим с ним шлаком

о лимитирующей стадии перехода кислорода из шлака в металл, нужно уточнять — на границе каких фаз происходит этот переход, поскольку может быть две таких границы между спокойным слоем шлака и переходным слоем шлак—металл, а также между переход­ ным слоем и металлом. Каждая из границ при определенных ус­ ловиях может быть наиболее трудно преодолимой для кислорода при проникновении его из атмосферы печи в металл.

31

Наиболее поразительным и неожиданным является при этом практическое отсутствие переходного слоя шлак—металл в пе­ риод рудного кипения (по крайней мере, толщина этого слоя не превышает 35 мм). Одной из возможных причин этого является активное окисление углерода в месте непосредственного контакта кусков руды с верхними слоями металла, в результате чего интен­ сивность перемешивания непосредственно металлической фазы ванны незначительна. Можно было бы предположить, что при вводе руды верхние слои металла настолько охлаждаются, что это

Рис. 11. Распределение окислов железа и кислорода в шлаке при [С]=0,43%; ис =0,46% С/4» Ca0/Si02=l,67; *М= 1557°С

затрудняет проникновение металла в пазы гребенки. Однако это маловероятно, так как энтальпия шлака меньше металла, но тем не менее он успешно заполняет все пазы устройства, начиная от уровня металла и кончая поверхностью контакта шлака с факе­ лом.

Поверхностное прохождение реакции окисления углерода вызы­ вает настолько интенсивное перемешивание шлака, что градиент закиси железа в шлаке по всей высоте слоя практически отсутст­ вует (см. рис. 11). Наиболее интересным представляется резкое увеличение содержания окислов железа (и кислорода) в слоях шлака, непосредственно прилегающих к металлу (пазы 1 и 2).

32

Существование такого большого градиента кислорода в контакти­ рующих с металлом слоях шлака явлениями диффузии, по-види­ мому, объяснить нельзя, так как закись железа распределена прак­ тически равномерно (хотя есть тенденция к увеличению ее содер­ жания в слоях, удаленных от газовой фазы). Если же принять во внимание, что основная составляющая железной руды состоит

талл—шлак, в результате чего нижние слои шлака настолько обо-

Ф

гащаются окислом железа, что даже очень интенсивное перемеши­ вание шлака не приводит к равномерному распределению окислов по всем горизонтам шлакового покрова. Отмеченное обстоятель­ ство указывает, между прочим, на то, что основная масса руды, контактируя непосредственно с металлом, усваивается преимуще­ ственно в нижних слоях шлака.

Совсем иная картина распределения окислов железа в шлаке обнаруживается в период чистого кипения (рис. 12). Обращает на себя внимание большая величина переходного слоя шлак—ме­ талл, что указывает на значительную интенсивность перемешива­ ния ванны всплывающими пузырями окиси углерода, основная

масса которых в период чистого кипения образуется на подине печи.

Интенсивный массообмен между шлаком и металлом в пере­ ходном слое шлак—металл способствует успешному усвоению кис­ лорода металлом, в результате чего градиент кислорода в пере­ ходном слое практически отсутствует.

Вследствие более высоких значений температуры металла (по сравнению с температурами периода расплавления) процесс пере­ хода кислорода из шлака в основную массу металла по реакции

Увеличение

о, г%

Ф

М

(FeO) - 2- [FeO] практически не лимитирует процесс передачи кис­ лорода из атмосферы печи в металл, хотя и есть небольшая склон­ ность к накоплению кислорода в слоях шлака, прилегающих не­ посредственно к металлу (пазы 1 я 2). Как видно из рис. 12, наи­ более существенный градиент кислорода наблюдается в спокой­ ном слое шлака (особенно это заметно для FeO). Таким образом, в период чистого кипения лимитирующим звеном процесса перехода кислорода из атмосферы печи в металл может быть транспорти­ ровка его в спокойном слое шлака и, в частности, переход кисло­ рода через межфазную границу спокойный — переходной слой

(рис. 12, паз 7).

На рис. 13 представлен характер распределения окислов же­ леза в шлаке после предварительного раскисления металла (ско­

34

рость обезуглероживания равна 0,03% С/ч). Интересно, что даже полураскисленный металл оказывается настолько подвижен, что возможным становится образование переходного слоя шлак—ме­ талл. Вследствие слабого перемешивания шлака в объеме его воз­ никают большие градиенты кислорода, причем в средних слоях шлака возможно даже накопление кислорода (см. рис. 13, паз 5). Поскольку снижение содержания кислорода в металле в резуль­ тате предварительного раскисления способствует переходу кисло­ рода из шлака в металл по реакции (FeO) ->- [FeO], то в слоях шлака, прилегающих к металлу, накопления кислорода не проис­ ходит (см. рис. 13, пазы 1—4).

Итак мы рассмотрели наиболее типичные случаи распределения кислорода в шлаке в зависимости от периода доводки (режима окисления углерода). Однако в практике сталеплавильного про-

2,34-

(0г)

Рис. I4. Распределение окислов железа и кислорода в шлаке при fC]—1,0%; ос —0,28% С/ч; Ca0/Si02= l,66; fM= 1540°C

изводства бывают случаи смешанного режима окисления углерода ванны, что вносит некоторые особенности в характер распределе­ ния кислорода в шлаке. Рассмотрим эти случаи.

На рис. 14 представлено распределение окислов железа и кис­ лорода в шлаке в период расплава. Отличительной особенностью рассматриваемого случая является то, что сразу же по расплав­ лению ванны была дана небольшая порция руды (1,0 т), в резуль­ тате чего скорость обезуглероживания (0,28% С/ч) была выше, чем в случае, приведенном на рис. 10 (0,15% С/ч). Несмотря на значительно большую скорость обезуглероживания, величина пе­ реходного слоя шлак—металл на рис. 14 значительно меньше, чем на рис. 10, так как увеличение скорости обезуглероживания при этом было достигнуто за счет поверхностного окисления ванны рудой. При этом был интенсифицирован переход кислорода как в спокойном слое шлака (результат поверхностного окисления уг­ лерода присадкой руды), так и в переходном слое шлак—металл

(результат действия донного кипения), в результате чего кислород почти беспрепятственно поступал из атмосферы печи в металл и градиент его в толще шлака практически отсутствовал. Диффу­ зионное сопротивление шлака было сведено к минимуму.

Случай, когда в период чистого кипения (развито донное окис­ ление углерода) дали небольшое количество руды (0,5 т), пред­ ставлен на рис. 15. Несмотря на относительно большую скорость

8

FeO • 7

ВШ

5

Г

3 » » » »

гш-м

т

7777777%

М

в случае, представленном на рис. 12. Увеличение скорости обезуг­ лероживания произошло в результате поверхностного окисления углерода металла небольшой порцией руды и активизации пере­ хода кислорода из газовой фазы в шлак и металл при интенсив­ ном перемешивании спокойного слоя шлака. К тому же высокая температура металла и развитая контактная поверхность металла и шлака в переходном слое способствовали успешному протека­ нию реакции распределения кислорода между шлаком и металлом, вследствие чего градиент кислорода в шлаке практически отсут­ ствовал (см. рис. 15).

Интересным представляется распределение кислорода в шлаке после предварительного раскисления ванны ферромарганцем

36

слоях (см. рис. 16 пазы 2—5). Наибольшее диффузионное сопро­ тивление шлака было как раз на границе с переходным слоем металл—шлак. Диффузия кислорода в переходном слое и переход его в металлическую ванну, как видно из рис. 16, не'лимитировали процесс перехода кислорода из газовой фазы в металл. Накопле­ ние кислорода происходит в нижнем слое спокойного слоя шлака (см. рис. 16, паз 2).

Рассмотрев случаи распределения окислов железа в шлаке, имеющие место в практике мартеновского производства стали, мо­ жно сделать вывод о многообразии процесса перехода кислорода

Рис. 16. Распределение окислов железа и кислорода в шлаке при [С]=0,21%;

ис —0,046% С/ч; CaO/Si02= 1,84, *M= 1615°C

из1газовой, фазы в металл и решающей роли переходного слоя шлак—металл в этом процессе.

Наиболее благоприятные условия для поступления кислорода из газовой фазы в металлическую наблюдаются при комбиниро­ ванном режиме окисления углерода, например при вводе в ванну небольшого количества руды (или окалины) в период чистого ки­

в наших исследованиях колеблется в пределах 7—25%, что нахо­ дится в хорошем соответствии с имеющимися литературными дан­ ными для основного мартеновского процесса [9, 37]. Нижний

37

предел относится к слоям шлака, контактирующим с металлом; верхний предел — к слоям шлака, контактирующим с окислитель­ ной атмосферой печи.

Исследованиями не был подтвержден вывод [37] об увеличении скорости обезуглероживания при росте градиента окисла железа Fe20 3 в шлаке. Наоборот, при больших скоростях обезуглерожи­ вания (см. рис. 15) градиент окисла железа РегОз в шлаке умень­ шается, что согласуется с известными исследованиями [9].

Интересно отметить, что наличие в мартеновской печи переход­ ного слоя шлак—металл хорошо объясняет обнаруженную зави­ симость между значениями отно­ шения скоростей роста темпера­ туры ванны до {vto) и после (щ)

в ванну (рис. 17).

Исследователи уже давно об­ ращали внимание на повышение температуры жидкой стали при раскислении ее ферромарганцем [42] и силикомарганцем [13], но связывали это только с экзотермичностью процесса усвоения рас­ кислителя в металле.

Обнаруженная закономерность (см. рис. 17) вскрывает некото­ рые новые свойства изучаемого явления.

Во-первых, зависимость отно­ шения Vt/vt0 от скорости обезуг­

лероживания указывает на суще­ ствование взаимосвязи между скоростью растворения раскислителя и мощностью перемешивания,

ванны. Действительно, чем больше скорость обезуглероживания, при которой вводится присадка, гем интенсивнее растворяется она в ванне и тем больше приход в ванну экзотермического тепла в единицу времени при взаимодействии раскислителя с окислен­ ным металлом (больше скорость роста температуры ванны после ввода раскислителя vt и больше отношение vt/vt„).

Во-вторых, в результате предварительного раскисления металла в печи скорость обезуглероживания резко снижается и можно предполагать, что перегретые объемы металла, находившиеся до этого в переходном слое шлак—металл, возвращаются из шлака в верхние слои металлической ванны и повышают температуру этих слоев (происходит «всплеск» показаний стационарной термо­ пары, спай которой находится в металле на глубине 150—200 мм), после чего показания термопары вновь понижаются и устанавли­

38

ваются на новом уровне, характеризующем среднюю температуру ванны. Чем выше значение скорости обезуглероживания перед вводом раскислителя, тем больше была величина переходного слоя шлак—металл (см. рис. 9) и, соответственно, большие объемы ме­ талла находились в высокотемпературном переходном слое. Чем большие объемы перегретого металла вернулись в основной объем ванны за единицу времени, тем большее приращение тепла полу­ чили верхние слои металла (больше скорость роста температуры vt и больше отношение щ/щ0).

В работе [43] также отмечалось большое количество металла в переходном слое шлак—металл.

Необходимо отметить, что абсолютный уровень температуры ванны после усвоения раскислителя может быть различным в за­ висимости от массы вводимого раскислителя, его экзотермичности, способа его ввода в ванну, толщины шлака и окисленности, а также от абсолютной температуры ванны, при которой вводится раскислитель. Но независимо от этих параметров факт выхода пе­ регретых объемов металла из шлака в основной объем металли­ ческой ванны остается неизменным, а параметром, характеризую­ щим это явление, можно считать отношение скорости роста температуры после ввода раскислителя (щ) к скорости роста тем­ пературы до ввода его (щ0).

Укажем пока схематично на сложную зависимость темпера­ туры металла в переходном слое от скорости обезуглероживания. Как будет показано дальше, температуры металла в переходном слое тем выше, чем выше tn.c (средняя температура переходного слоя). В свою очередь температура в переходном слое тем выше, чем меньше толщина экранирующего спокойного слоя шлака. Тол­ щина спокойного слоя шлака, экранирующего металлическую ванну от греющего факела, при данном количестве шлака в печи тем меньше, чем больше величина переходного слоя шлак—ме­ талл. Поскольку с увеличением скорости обезуглероживания ве­ личина переходного слоя шлак—металл увеличивается (см. рис. 9), то можно сделать вывод о том, что температура объемов металла, находящихся в переходном слое шлак—металл, тем выше, чем больше скорость обезуглероживания ванны, т. е. связь между vtlvt„ и Ус становится очевидной.

В заключение отметим, что отношение vt!vt0 для 300-т марте­

новской печи превышает соответствующую величину для 600-т печи вследствие большей удельной поверхности контакта металла и шлака для 300-т мартеновской печи (соответственно значения

0,31 и 0,21 м2/т).

Таким образом, от момента расплавления ванны до выпуска металла переходной слой шлак—металл непрерывно определяет условия массо- и теплообмена, поэтому при изучении сталепла­ вильного процесса пренебрегать реальным существованием пере­ ходного слоя шлак—металл не следует.

39