ENG    UKR

Назад на главную страницу ...     Диссертация     Библиотека    Полезные ссылки

АННОТАЦИЯ

С использованием методики «падающей капли» изучены закономерности поведения железоуглеродистой капли в шлаке. По давлению СО в пузырьке определены критические пресыщения реагентов, при которых возможно образование пузырьков СО на границе шлак-металл. Установлено, что снижение основности шлака и повышение его температуры ухудшают условия образования и роста пузырьков на границе шлак-металл.

УДК 669.11 – 154: 669.046.542

КИНЕТИКА ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА МЕТАЛЛА С ОКИСЛИТЕЛЬНЫМ ШЛАКОМ

А.Х. Дымнич, Д.Н. Шалимов (кафедра ЭМ и КПС)

Несмотря на то, что кислородно-конверторный способ производства стали, существует более 50-ти лет, многие его теоретические аспекты остаются недостаточно изучены. В частности, не существует единой точки зрения относительно вопроса механизма удаления примесей из металла. Большинство исследователей считают, что в основном примеси окисляются в первичной реакционной зоне. Другие исследователи отводят значительную роль в процессе рафинирования вторичной реакционной зоне, а именно, протеканию окислительных процессов в шлако-металлической эмульсии.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии высокоскоростной кислородной струи с металлом в отдельные периоды продувки концентрация капель металла в шлаке может достигать 30 – 50 % от массы шлака. Имея разветвленную реакционную поверхность, шлако-металлическая эмульсия может существенно влиять на скорость рафинировочных процессов.

Однако до настоящего времени нет методик, позволяющих оценить роль шлако-металлической эмульсии в процессах рафинирования металла при продувке его кислородом. Это связано, прежде всего, с отсутствием данных о времени пребывания капель металла в шлаке.

В настоящей работе предпринята попытка, изучить поведение железоуглеродистых капель металла в окислительном шлаке и количественно оценить скорость окисления углерода в зависимости от химического состава и температуры шлака.

Для исследования кинетики окисления углерода на границе шлак-металл была использована методика «падающей капли», разработанная профессором Дымничем А.Х.. Методика основана на том, что, при протекании на границе раздела шлак-металл реакции окисления углерода на межфазной поверхности, непрерывно выделяются пузырьки оксида углерода, которые флотируют металлическую каплю. В результате флотации, капля может удерживаться (витать) в шлаке до тех пор, пока не прекратится процесс обезуглероживания. По времени витания металлической капли в шлаке можно определить скорость окисления углерода в ней.

Суть методики заключается в том, что, металлическая капля предварительно активируется радиоактивным элементом, что позволяет следить за ее перемещением в непрозрачной шлаковой среде. Положение капли в шлаке на определенном уровне фиксируется детектированием коллимированного пучка радиоактивного элемента, испускаемого активированной каплей.

Для проведения лабораторных исследований, металлические капли готовили из железоуглеродистого сплава с различным содержанием углерода в нем. Подготовку осуществляли путем сплавления низкоуглеродистой стали (С = 0,03%), со спектрально-чистым графитом. В опытах вес капли составлял 0,3 г., что соответствует ее диаметру d_к= 0,42 см.

Металлическую каплю активировали изотопом кобальт – 60, который имеет период полураспада 5,27 года и обладает β и γ – излучением с энергией 0,306 и 1,20 МэВ соответственно. Расход изотопа кобальт – 60 на одну каплю составляет 0,010 – 0,012 г., что обеспечивало активность его в капле на уровне 0,6 – 0,7 мкюри.

В работе использовали синтетический шлак, химический состав которого приведен в таблице1.

Таблица 1 – Химический состав синтетических шлаков, применяемых для исследования кинетики обезуглероживания в каплях металла.

Шлак расплавляли в молибденовом тигле с внутренним диаметром 35 мм и высотой 100 мм. Нахождение металлической капли в шлаке фиксировали на шести уровнях. Расстояние между фиксированными уровнями составляло 14 мм. Эксперименты проводились при температуре шлака 1600˚С и 1740˚С.

Анализ результатов эксперимента показал, что характер движения железоуглеродистой капли в окислительном шлаке можно разделить на три периода (рисунок 1).

Рисунок 1 - Характер опускания металлической капли в окислительном шлаке.

Первый (инкубационный) период, характеризуется свободным падением металлической капли в шлаке. В этот период капля движется в шлаке с постоянной скоростью. На определенной глубине погружения капли в шлак (h_погр.) скорость ее движения затормаживается, а затем полностью прекращается.

Наступает второй период, когда капля быстро поднимается на поверхность шлака и витает некоторое время. По истечении времени (τ₂), капля быстро опускается на дно тигля (третий период).

Обработка результатов эксперимента показала, что глубина свободного погружения капли в шлак в первый период зависит от исходной концентрации углерода в капле, с увеличением которого глубина свободного погружения капли уменьшается (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость расстояния от поверхности шлака до уровня, соответствующего началу интенсивного обезуглероживания капли, от исходной концентрации углерода в ней.

Последнее можно объяснить следующим, при свободном опускании металлической капли в шлаке имеет место накопление кислорода в металле за сет диффузии оксида железа из шлака в каплю. При достижении определенной концентрации кислорода в металле, обеспечивающий необходимое пересыщение реагентов [О][С]_н, что достигается при меньшем времени инкубационного периода.

При достижении необходимого пересыщения [О][С]_н наступает второй период интенсивного окисления углерода.

В результате флотации капли пузырьками СО скорость ее опускания в шлаке уменьшается и затем она поднимается на поверхность шлака, где она находится во взвешенном состоянии до тех пор, пока не прекратится процесс окисления углерода на ее поверхности.

Как следует из рисунка 3, продолжительность витания капли зависит от начальной концентрации углерода в ней, химического состава шлака и его температуры. При постоянной температуре с повышением начальной концентрации углерода в металле продолжительность витания капли увеличивается.

1 – шлак № 1, t = 1600˚C; 2 – шлак № 2, t = 1600˚C; 3 – шлак № 3, t = 1740˚C.

 Рисунок 3 – Зависимость продолжительности витания капли в шлаке от начального содержания углерода в ней.

Из рисунка 3 следует, что процесс окисления углерода в капле, находящейся в окислительном шлаке, прекращается при вполне определенном содержании [С].

Так, при контакте капли со шлаком основностью В=2,0 процесс обезуглероживания капли металла прекращается при достижении концентрации [С]=0,43% (кривая 1), а при использовании шлака основностью В=1,26 витание прекращается при [С]=1,05% (кривая 2). С повышением температуры шлака (кривая 3) прекращение процесса окисления углерода наступает при [С]=1,55%.

Таким образом, можно заключить, что снижение основности шлака и повышение его температуры ухудшают условие зарождения пузырьков СО на межфазной границе шлак-металл.

Используя данные эксперимента можно количественно оценить критические значения пересыщения реагентов по содержанию углерода и кислорода в металле, при которых возможно образование и рост пузырьков СО на границе шлак-металл.

Можно предположить, что после прекращения обезуглероживания капли, когда ее поверхность освобождается от пузырьков СО, концентрация кислорода в ней достигает равновесных со шлаком значений.

Пересыщение, при котором пузырьки СО не образовывались, оценивали по давлению выделения окиси углерода Р_СО, которое определили из выражения:

где: [С]_n.b – концентрация углерода в капле при которой прекращается           процесс обезуглероживания, %;

        [О]_р. – равновесная со шлаком концентрация кислорода в металлической капле, %.

Результаты расчета по этому уравнению представлены в таблице 2.

 Таблица 2 – Влияние температуры и химического состава шлака на кинетику зарождения пузырьков СО на границе шлак-металл.

      1.  Дымнич А. Х., Семенов Н. П., Герчиков Д. С. и др. Кинетика окисления углерода из капель сплава железа, находящихся в окислительном шлаке// Изв. АН СССР. Сер. Металлы. – 1977., №2. – 36-42 с.

        2.   Казаков А.А. Кислород в жидкой стали. -М.: "Металлургия"; 1972. - 10 с.