Внепечное рафинирование чугуна и стали
  3.3.3 Особенности кинетики реакций дегазации и обезуглероживания стали

Реакция дегазации металла в вакууме включает следующие основные звенья:

  • массоотдачу водорода и азота из объема металла к поверхности раздела металл-газ;
  • адсорбцию атомов водорода и азота на межфазной поверхности;
  • реакцию молизации, в результате которой образуются двухатомные молекулы водорода и азота;
  • десорбцию молекул водорода и азота с поверхности раздела фаз;
  • массоотдачу водорода и азота в газовую фазу.

Согласно существующим представлениям на поверхности расплава существует ограниченное число независимых адсорбционных мест, которые могут быть заняты атомами примесей. При совместной адсорбции нескольких примесей каждая из них занимает на поверхности расплава определенное количество адсорбционных мест, в результате чего уменьшается доля адсорбционных мест («эффективная поверхность»), через которую осуществляется массопередача водорода и азота из металла в газовую фазу.

Поэтому технология вакуумной дегазации стали должна учитывать возможное влияние на результаты обработки присутствующих в расплаве поверхностно-активных веществ (ПАВ). Высокой поверхностной активностью в расплавах железа обладают кислород, сера и ряд других примесей. В качестве примера на рис. 3.7 показаны результаты оценки доли адсорбционных мест, которую занимают на поверхности металла атомы серы, кислорода и селена при различном их содержании в двойных сплавах Fe-S , Fe-O и Fe-Se.

Результаты оценки доли адсорбционных мест, которую занимают на поверхности металла атомы серы, кислорода и селена при различном их содержании в сплавах Fe-S, Fe-O и Fe-Se

Рис. 3.7. Результаты оценки доли адсорбционных мест, которую занимают на поверхности металла атомы серы, кислорода и селена при различном их содержании в сплавах Fe-S, Fe-O и Fe-Se

Экспериментально установлено, что присутствие в расплаве ПАВ не оказывает сильного влияния на скорость удаления водорода из металла. В этих условиях повышение скорости дегазации может быть достигнуто, в первую очередь, путем увеличения площади поверхности раздела металл-газ. По этой причине, когда главной задачей обработки является удаление из металла водорода, целесообразно вакуумировать слабо раскисленный металл. При этом в результате протекания реакции вакуумно-углеродного раскисления в стали образуется большое количество пузырей оксида углерода и площадь поверхности раздела фаз резко увеличивается. Примером могут служить показанные на рис. 3.8 результаты обработки стали различной степени окисленности в камере порционного вакуумирования. Из рисунка видно, что эффективность удаления водорода увеличивается, когда направляемую на вакуумирование сталь не обрабатывают сильными раскислителями и она характеризуется более высоким содержанием растворенного в металле кислорода.

В промышленных условиях при вакуумировании слабо раскисленного металла удаление водорода протекает достаточно эффективно, степень дегазации стали обычно составляет 50 – 80%. Если по каким-либо причинам металл перед вакуумированием должен подвергаться глубокому раскислению, большую площадь поверхности раздела фаз можно получить путем интенсивной продувки металла аргоном.

Зависимость эффективности удаления водорода при порционном вакуумировании от химического состава стали

Рис. 3.8. Зависимость эффективности удаления водорода при порционном вакуумировании от химического состава стали, %: 1 – 0,1 C , 0,2 Si , 0,5 Mn; 2 – 0,7 C , 0,25 Si , 1,0 Mn; 3 – 0,25 C , 1,3 Si , 0,5 Mn; 4 – 0,7 C , 0,25 Si , 1,0 Mn, 0,01 – 0,02 Al

При обработке расплавов промышленной чистоты эффективность удаления азота значительно меньше, чем водорода. Степень дегазации стали обычно не превышает 15 – 30%. При этом анализ влияния состава металла на результаты обработки дает основания предполагать, что уменьшение эффективности дегазации связано с наличием в расплаве ПАВ.

Подтверждением этому могут служить результаты исследования дегазации стали, выплавленной в 220-т кислородных конвертерах одной из фирм Германии. В ходе исследования содержание серы в металле перед выпуском плавки составляло в среднем 0,019%. Во время выпуска металл обрабатывали в ковше кремнием, алюминием и твердой шлакообразующей смесью. При этом содержание серы в стали понижалось в среднем до 0,013%. После выпуска ковш транспортировали к вакуумной камере, где проводили вакуумирование с одновременной продувкой расплава аргоном. Во время вакуумной обработки имела место дополнительная десульфурация металла ковшевым шлаком. Результаты проведенного исследования показаны на рис. 3.9 в виде зависимости между концентрациями азота и серы в стали по окончанию обработки.

Влияние остаточного содержания серы в металле на эффективность удаления азота при вакуумировании стали в ковше

Рис. 3.9. Влияние остаточного содержания серы в металле на эффективность удаления азота при вакуумировании стали в ковше: 1 – до вакуумирования; 2 – после вакуумирования

Из приведенных данных видно, что эффективность дегазации стали существенно увеличивалась, когда остаточное содержание серы в металле не превышало 0,004%. В одном из опытов исходное содержание азота в стали было повышено до 0,01% присадкой азотированных ферросплавов. Однако, в условиях глубокой десульфурации металла это не вызвало увеличения концентрации азота в стали после вакуумирования.

Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла азота, следует стремиться к получению в расплаве минимального содержания ПАВ. С этой целью сталь перед вакуумированием должна быть глубоко раскислена. Желательно также наличие в металле минимально возможного количества серы. Для обеспечения большой площади поверхности раздела металл-газ вакуумную обработку необходимо совмещать с интенсивной продувкой стали инертным газом.

Кинетика процессов вакуумно-углеродного раскисления и обезуглероживания стали в вакууме с достаточной точностью описывается кинетическими уравнениями реакции первого порядка относительно концентрации удаляемой примеси, что является следствием протекания реакций в диффузионной области. В качестве примера на рис. 3.10 приведены результаты исследования изменения концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакууме.

Изменение концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакууме

Рис. 3.10. Изменение концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакууме: 1 – опыт № 1; 2 – опыт № 2

Из приведенных данных видно, что при содержании углерода менее 0,006 – 0,008% скорость обезуглероживания стали уменьшается. Это объясняется тем, что скорость протекающей в диффузионной области реакции между растворенным в металле углеродом и кислородом определяется величиной площади поверхности раздела металлгаз. В начальном периоде обработки пузыри оксида углерода зарождаются на границе металл-футеровка и, удаляясь из расплава, проходят через объем обрабатываемого металла. При этом, благодаря наличию в расплаве большого количества пузырей и большой площади поверхности раздела взаимодействующих фаз, скорость реакции достаточно высока. В заключительном периоде вакуумирования условия для кипения металла на границе с футеровкой исчезают. После этого реакция продолжается только на поверхности металла в вакуумной камере, что приводит к значительному уменьшению скорости обезуглероживания.

Поэтому чтобы увеличить скорость и глубину обезуглероживания при производстве стали с ультранизким содержанием углерода вакуумирование целесообразно совмещать с интенсивной продувкой расплава инертным газом.

  3.3.3 Особенности кинетики реакций дегазации и обезуглероживания стали
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ