CC BY
57
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2005 р.
Вип. №15
УДК 669.18
Чичкарев Е.А.1, Троцан А.И.2, Казачков Е.А.3, Назаренко Н.В.
МЕХАНИЗМ УСВОЕНИЯ КАЛЬЦИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ В КОВШЕ
Проведено сопоставление результатов обработки стали кальцием для условий ввода в струе инертного газа и порошковой проволокой. В расчете на единицу массы вводимого кальция показатели эффективности обработки в 1,5... 2 раза больше для ввода порошковой проволокой. Наиболее вероятным объяснением более высокой эффективности обработки стали порошковой проволокой является влияние на перемешивание в ковше работы расширения пузырей газа-носителя. Проанализирована расчетная схема массооб-мена на границе раздела «пузыри паров кальция - жидкий металл».
В настоящее время широко применяется обработка железоуглеродистых расплавов щелочноземельными металлами: внедоменная десульфурация чугуна магнием и внепечная обработка стали кальцием или содержащими его сплавами.
Общепризнанным способом десульфурации и улучшения разливаемости для сталей, раскисленных алюминием, является обработка кальцием. Кроме того, в результате обработки кальцием, при условии достаточного содержания его, в стали достигается улучшение пластичности, хладостойкости и изотропности механических свойств готового металла. Несмотря на широкое распространение в последнее время технологии ввода сплавов кальция порошковой проволокой, классическая технология вдувания их в струе инертного газа сохраняет свое значение, особенно для глубокой десульфурации металла.
Трудно отделить роль покрывающего металл шлака от роли вдуваемых порошков, участвующих в реакциях рафинирования металла, однако по данным [1] масса серы, вступившей в реакцию с парами кальция, значительно превышает массу непосредственно абсорбированной шлаком серы.
Основной схемой реакций в ковше, продуваемом силикокальцием, остается модель Кнопа. В соответствии с ней происходит диффузия серы к поверхности пузырей кальция, которые и выносят образующийся сульфид на поверхность, т.е. в слой шлака [2]. Однако, эта хорошо известная схема не описывает процессы растворения кальция в металле и условия модифицирования оксидных неметаллических включений.
Другой проблемой, не рассматриваемой в известных работах, касающихся обработки стали кальцием, является влияние условий перемешивания металла на процессы десульфурации и модифицирования. В классической работе Е.Т. Туркдогана [3] установлено, что коэффициент использования кальция зависит от скорости его ввода:
где - общее количество введенного кальция; М - масса жидкой стали; Ж - скорость ввода кальция ; со ко1 - количество кальция, растворенного в стали ; со '05 - количество кальция в виде удаленных включений; со ж - количество кальция в виде оставшихся в стали включений.
Коэффициент усвоения кальция жидкой сталью всегда меньше Еи. В промышленных опытах [3, 4] установлено, что он уменьшается с увеличением удельного расхода кальция. При расходе Са 0.16 кг/т коэффициент усвоения составлял 27% ; при расходе Са 0.6 кг/т - около 16%. Разница объясняется авторами увеличением потерь кальция с всплывающими включениями.
Важным фактором, оказывающим заметное влияние на степень усвоения вводимых добавок, является интенсивность циркуляционных потоков металла в ковше, связанная со скоростью подачи кальция. Поэтому анализ влияния взаимосвязи интенсивности ввода кальция, условий барботажного
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
3 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
4 МГГУ, ст. преп.
(1)
перемешивания пузырями его паров и степени усвоения представляет несомненный интерес для оценки оптимальной скорости ввода и диаметра порошковой проволоки или оптимального массовой скорости вдувания.
Теория массообмена в системах «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость» обычно исходит из представлений об ускорении его за счет быстро протекающей химической реакции вблизи границы раздела фаз [5]. Подобный расчет проделан в работе [6] применительно к кинетике окисления алюминия на границе раздела «металл-шлак». Однако в условиях десульфурации жидкой стали парами кальция продукты реакции (включения CaS) нерастворимы в жидком металле и не могут перемещаться путем молекулярной диффузии в пределах ламинарного пограничного слоя, что исключает применимость схемы с ускорением массообмена за счет химической реакции.
Целью настоящей работы является рассмотрение более сложной схемы расчета кинетики массообмена: кальций и сера переносятся через пограничный слой у поверхности пузыря паров Са путем встречной молекулярной диффузии. На поверхности раздела концентрация кальция определяется его растворимостью в стали заданного состава, а концентрация серы - по условиям образования CaS. За пределами пограничного слоя теми же условиями определяется концентрация растворенного кальция (рис. 1).
Csi, ССа
/«.■IQ'U
Зрффузия кальция
Пузырь паров кальция
Рис. 1 - Схема массообмена в окрестности пузыря паров кальция
Пограничный слой
Структура потоков в агрегате с достаточно высокой интенсивностью перемешивания удовлетворительно описывается моделью идеального смешения. В квазистационарном приближении объемная доля пузырей паров вводимого Са срСа (с учетом его удаления с поверхности зеркала металла и на десульфурацию) рассчитывалась по уравнению:
_О/У_ '
Усо = (; .лб.М^' ()
а н кт
где С - массовая скорость подачи реагента; V - объем расплава в ковше; ¡Са = —'Са 1 ' плот-
, , , р8 -дЫ-р
ность потока массы Са в глубину расплава; ¡я = ^^— - плотность потока массы элемента X,
расходуемого на формирование сульфидов в пределах пограничного слоя; Д\Са\ = [Со]и0в - [Ся]; [Са]пов, [Са] - концентрация вводимого элемента у границы раздела с пузырем паров и в глубине расплава; д[\] = .' /Л'/,,,,,., /Л'/ - концентрация серы в равновесии с Са8, на границе с пузырем
паров и в глубине расплава; р - плотность расплава в ковше; Н - средняя глубина слоя расплава в
ковше; ¡38, ¡3 х - коэффициент массоотдачи; Ах - атомная масса; р - среднее давление паров Са в пузырях; Т - температура расплава; Я - универсальная газовая постоянная; и - средняя скорость смещения пузырей относительно металла, равная:
л/0,5-§-с1 ;
г/ =
(3)
й — средний диаметр пузырей; № - средняя скорость восходящего циркуляционного потока в барбо-тажной зоне. Скорость ¥ оценивалась по данным работы [7]. На достаточном удалении от точки ввода в расплав кальция, пузыри размером больше критического (5...6 см) могут дробиться, образуя
окончательно характерные для жидкого металла шаровые полости с с1 = 1...2 см [7].
Масса кальция, поступающая в металл с поверхности пузырей в единицу времени, рассчитывалось по уравнению:
/•',-лМ.р./-
^Са — J Са F — '
100
(4)
где Р - межфазная поверхность «пузыри паров Са - металл», равная = <зУ(рСа /с] . Коэффициенты массоотдачи /3Са и ¡35 определялись по уравнению Хигби [5]:
£/? = 1ДЗ-(/У)0\ (5)
где Цв = ' </¡Вх ; Ре = и ■ €¡¡1), ; Вх - коэффициент диффузии элемента X (X - Са, 8).
Для реальных условий обработки стали кальцием [Са]тв >> [Са] , а ^]„ов << /Л'/, что позволяет приближенно считать д[Ся] и [Со]Я{?6, \[Л ]« [5"].
Кинетика десульфурации металла и усвоения кальция была представлена дифференциальными уравнениями, составленными в предположении применимости модели идеального смешения к объему ковша (р - плотность жидкого металла в ковше):
= И- \S\J-FIV * -Р3.14 А/Г ,
(6)
(7)
(8) (9)
ch
</|(/ - [Са]) ■ 4' * fie. ■ .Nw ■ FIV,
ат
откуда (содержанием кальция в металле до обработки пренебрегаем)
Равновесная растворимость кальция в металле на границе раздела с пузырем [Са]„ов и коэффициенты массоотдачи рСа и fis зависят от температуры. Поэтому достигаемое в результате обработки стали кальцием его общее содержание и показатель десульфурации связаны соотношением:
Результаты обработки экспериментальных данных по вдуванию порошка силикокальция в жидкую сталь (350-т ковш) представлены на рис. 2. Для обработки была выбрана простейшая форма зависимости/(7^ - линейная. Как видно из рис. 2,
соотношение ■ |( 7/|;i... изменяется в зависимому
сти от температуры в пределах 0,006...0,011, что хорошо сочетается с известной из эксперимента величиной равновесной растворимости кальция в жидком железе ([Са]пов около 0,017 % при давлении 1 атм) и оценкой соотношения коэффициентов диффузии кальция и серы (DCc, в 2...3 раза меньше, чем Ds).
Более сложная оценка учитывает и изменение межфазной поверхности «пузыри паров кальция-жидкий металл» в зависимости от массовой скорости подачи реагента и скорости цир-
1560
1580
1600
1620 1640 Т, оС
Рис. 2 - Влияние температуры на показатели усвоения кальция и десульфурации
куляционного течения. Согласно уравнениям (2)...(4), поверхность массообмена пропорциональна массовой скорости подачи реагента:
И = 6Г<рс||| =- Ст -- . (11)
(/ +/ ) | (и + н0 рАс° 6
УСа JS) н ЯТ с/
При этом достигаемое в результате обработки кальцием его общее содержание и показатель десуль-фурации 1п(|у [,..,, /| ч |) зависят от удельного расхода реагента на обработку (объединены уравнения (8),
(9), (11)):
[Са] = [5Са ■ [Са\п0в-----[Са\юв--Г"Ь-\ -=л-Ж =
\Jf.i „ ' V/! ., ■ ,, ' •— , V' А)
п К1 с! и 41 (I
= кС а (г)'Яуделщ
144«, Ш = АгР---Т" = Ы ШКуЬепш , (13)
( . ("+»') РАСа 6
Коэффициенты пропорциональности кса(Т) и кг>5(Т) зависят не только от температуры, но и от интенсивности циркуляционного перемешивания металла (см. уравнение (2)). Влияние на результаты обработки интенсивности перемешивания металла инертным газом и парами кальция оценивали по экспериментальным данным, полученными при обработке стали кальцием, вводимым в 350-т ковш в струе аргона (силикокальций СК20) или порошковой проволокой диаметром 13 мм (силикокальций СКЗО). Обработку данных провели с учетом соотношений (12) и (13). Полученные результаты представлены на рис. 3.
а) десульфурация
&
2.001
и
§
Е 1.501
В" га И
1560 1580 1600 1620 Температура °С
1640
б) усвоение кальция
§
3
ю
0.013 0.012 0.011 0.01 0.009 0.008 0.007 0.006
0.005
Обработка ПГ
Д А ^
Вдувание СК20
♦
1560 1580 1600 1620 Температура °С
1640
Рис. 3 - Сопоставление технологий обработки стали порошковой проволокой и вдуванием
дробленого силикокальция
Как видно из приведенных графиков, эффективность ввода кальция порошковой проволокой заметно выше по сравнению с вдуванием газом. Отношение средних коэффициентов кСа(Т) и ка5(Т), найденное по массиву экспериментальных плавок, представлено в таблице.
Таблица - Сопоставление осредненных показателей по обработке жидкой стали силикокальцием
Эффект обработки Оценка Технология обработки Отношение ПП вдувание
Вдувание Ввод пп
Десульфурация ]„ [^]ноч _ р 111 - ' ПСа ^5=0,94 ко8=\,80 1,91
Модифицирование НВ а]обЩ. = к, „. • Шщ кСа=0,00627 %г 0,010 1,59
По уравнениям (12)и(13)
^ = ^-[Са\пов., (14)
а вычисленная величина этого соотношения согласуется с оценкой, полученной выше.
Наиболее вероятным объяснением результатов опытов является существенное изменение средней скорости восходящего циркуляционного потока в барботажной зоне. При вдувании кальцийсо-держащих сплавов в струе инертного газа на возникновение циркуляционного течения влияют как работа расширения пузырей инертного газа, так и работа расширения пузырей паров кальция, при вводе силикокальция порошковой проволокой - только паров кальция. Так как глубина погружения фурмы обычно незначительно отличается от глубины слоя металла в ковше, а глубина испарения кальция даже при температуре металла в ковше выше 1600 °С не превышает 2 м, влияние премеши-вания инертным газом оказывается весьма существенным.
Настоящая работа - одна из предпосылок разработки комплексной математической модели ковшевых процессов, направленной на оптимизацию режимов внепечной обработки и отчасти непрерывной разливки стали. Теоретические результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы и для разработки рациональных условий обработки чугуна магнием, вводимым порошковой проволокой или путем вдувания в струе газа-носителя.
Выводы
1. Установлено, что схема взаимодействия с встречной диффузией кальция и серы через ламинарный пограничный слой удовлетворительно сочетается с экспериментальными данными, полученными в промышленных условиях.
2. Проведено сопоставление результатов обработки стали кальцием для условий ввода в струе инертного газа и порошковой проволокой. Установлено, что в расчете на единицу массы вводимого кальция показатели эффективности обработки в 1,5...2 раза больше для ввода порошковой проволокой.
3. Наиболее вероятным объяснением более высокой эффективности обработки стали порошковой проволокой является влияние на перемешивание в ковше работы расширения пузырей газа-носителя.
Перечень ссылок
1. Хайда О. Достижения ковшовой металлургии в Японии применительно к рафинированию металла вдуванием порошков/ О. Хайда, К. Наканиши, Т. Эми // Инжекционная металлургия-80. Труды конференции 8сап1гуес1 II. - М.: Металлургия, 1982. - С.21-40.
2. Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали. /В.А.Кудрин - М.: Металлургия, 1992. - 336 с.
3. Туркдоган Е. Т. Металлургические последствия усвоения кальция жидкой и затвердевшей сталью/ Е.Т. Туркдоган II Обработка стали кальцием. - Киев: ИЭС им. Е.С.Патона. - 1989. - С. 19-44.
4. Банненберг П. Поведение проволоки с порошковым наполнителем в процессе расплавления/ П. Банненберг, К. Харсте, О. Боде II Черные металлы. - 1992. - №12. - С.25-33.
5. Шервуд Е. Массопсрсдача / /■,'. Шервуд, Р. Пигфорд, Ч. Уилки -М.: Химия, 1982. - 655с.
6. Плюшкелъ В., Реденс Б., Шюрманн Э. Кинетика окисления алюминия при продувке жидкой стали/ В. Плюшкелъ, Б. Реденс, Э. Шюрманн II Инжекционная металлургия-80. Труды конференции 8сап1гуес1 II. - М.: Металлургия, 1982. - С. 116-127.
7. Казачков Е.А. Моделирование процессов выравнивания температуры металла и содержания легирующих добавок в металле при продувке инертным газом / Е.А. Казачков, С.Г. Рудакова II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2001.-Вип. 11. - С.55-60.
Статья поступила 18.04.2005
