Современные процессы рафинирования стали
  2.3.2 Особенности кинетики реакций дегазации и обезуглероживания стали

Технология вакуумной дегазации стали должна учитывать возможное влияние на результаты обработки поверхностно-активных примесей металла (ПАВ). Высокой поверхностной активностью в расплавах железа обладают кислород, сера и ряд других примесей. В качестве примера на рисунке 2.5 показаны результаты оценки доли адсорбционных мест, которую занимают на межфазной поверхности атомы серы, кислорода и селена при различной концентрации их в расплаве.

Зависимость доли адсорбционных мест, занятых ПАВ на поверхности раздела фаз, от концентрации примесей в металле

Рисунок 2.5 – Зависимость доли адсорбционных мест, занятых ПАВ на поверхности раздела фаз, от концентрации примесей в металле

Установлено, что присутствие в расплаве ПАВ не оказывает сильного влияния на скорость удаления из металла водорода. 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 рисунке 2.6 результаты обработки стали различной степени окисленности в камере порционного вакуумирования. Из рисунка видно, что эффективность удаления водорода увеличивается, когда направляемая на вакуумирование сталь не обрабатывается сильными раскислителями и характеризуется более высоким содержанием растворенного в металле кислорода.

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

Зависимость эффективности удаления водорода при порционном вакуумировании от химического состава стали

Рисунок 2.6 – 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 кислородном конвертере. В ходе исследования содержание серы в металле перед выпуском плавки составляло в среднем 0,019%. Во время выпуска сталь обрабатывали в ковше кремнием, алюминием и твердой шлакообразующей смесью. В результате этого содержание серы в стали понижалось 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 рисунке 2.7 в виде зависимости между концентрациями азота и серы в стали по окончанию обработки.

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

Рисунок 2.7 – Влияние остаточного содержания серы в стали на эффективность удаления азота при вакуумировании: 1 – до вакуумирования; 2 – после обработки

Из приведенных данных видно, что эффективность дегазации стали существенно увеличивалась, когда остаточное содержание серы в металле было получено менее 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 взаимодействующих фаз вакуумную обработку целесообразно совмещать с продувкой стали инертным газом.

Изменение концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакуумеПроцессы вакуумно-углеродного раскисления и обезуглероживания стали в вакууме с достаточной точностью описываются кинетическими уравнениями реакции первого порядка относительно концентрации удаляемой примеси, что является следствием протекания реакций в диффузионной области. В качестве примера на рисунке 2.8 приведены результаты исследования изменения концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакууме.

Рисунок 2.8 – Изменение концентрации углерода в стали при обезуглероживании в вакууме: 1 – опыт №1; 2 – опыт №2

Из приведенных данных видно, что спустя некоторое время после начала вакуумирования скорость реакции замедляется. Это объясняется тем, что скорость протекающей в диффузионной области реакции обезуглероживания стали определяется величиной площади поверхности раздела взаимодействующих фаз. В начальном периоде обработки пузыри оксида углерода зарождаются на границе металл-футеровка и, удаляясь из расплава, проходят через слой обрабатываемого металла. Благодаря наличию в расплаве большого количества пузырей и большой площади поверхности раздела взаимодействующих фаз скорость реакции при этом достаточно высока. В заключительном периоде вакуувакуумирования 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.

Чтобы увеличить скорость и глубину вакуумно-углеродного раскисления и обезуглероживания стали вакуумирование целесообразно совмещать с продувкой расплава инертным газом.

  2.3.2 Особенности кинетики реакций дегазации и обезуглероживания стали
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ