Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Ускорение обработки (уменьшение) может быть обеспечено в результате либо ускорения массообмена (повышения *0, либо снижения давления р. Интенсивность дегазации Резко возрастает, если продувка инертным газом сопровождается протеканием реакции обезуглероживания. При кипении Расплава через него дополнительно проходит масса пузырей СО и суммарная поверхность дегазации F существенно возрастает. Если одновременно с продувкой газом снижать давление (вакуумная обработка + продувка газом), то скорость Дегазации возрастает.

Интенсивное перемешивание металла при продувке его инертным газом ускоряет процессы всплывания неметаллических включений и ассимиляции их покровным шлаком. При этом дополнительно проявляется флотирующее воздействие пузырей инертного газа (а также СО при продувке нераскисленного металла).

В процессе обработки неметаллические включения могут сталкиваться друг с другом. Число этих столкновений зависит прежде всего от интенсивности перемешивания расплава. При столкновении частиц неметаллических включений может происходить их полное слияние (коалесценция) или слипание в более крупный конгломерат {коагуляция). Движущими силами процесса укрупления включений являются силы межфазного натяжения. Межфазное натяжение на границе металл— включение сгм_вкл значительно выше, чем на границе столкнувшихся включений ^вкл-вкл! те- металл гораздо меньше смачивает включение, чем одно включение смачивает другое, силы сцепления (адгезии) между включениями выше, чем силы сцепления между металлом и включением. Чем больше <гм_В1-л> тем более эффективно укрупняются включения; чем меньше сгвкл_вкл, тем легче этим включениям укрупниться. При продувке расплава пузыри газа, проходящие через расплав, способствуют флотации включений. Поверхностное натяжение сгвкл_г меньше адгезии включения к металлу см-вкл, т-е-^вкл-г < ^м-вкл- в результате включение "прилипает" к пузырю газа и уносится с ним через шлак в атмосферу.

При небольших размерах включений большое значение имеют силы адгезии. Мелкие включения, увлекаемые струями перемешивающегося металла, могут очень долго "витать" в расплаве, перемещаясь вверх и вниз вместе с металлом. Чем меньше степень смачиваемости (больше <гм-В1СЛ)> тем ш.силы, удерживающие включение в соприкосновении с металлом, и тем легче оно от металла отделяется, всплывает, и наоборот, включения, которые хорошо смачиваются металлом, плохо от него отделяются. В качестве примера включений, плохо смачиваемых жидким железом, можно привести .включения глинозема (#М-Вкл ~ 1 Дж/м2); в качестве примера включений, хорошо смачиваемых жидким железом (и поэтому плохо отделяемых от него), можно привести включения силикатов железа (см_вкл~ 0,4 Дж/м2).

Чрезмерно интенсивное перемешивание расплава может вызвать разобщение, разрушение образовавшихся ранее скоплений, конгломератов включений и ухудшить процесс их удаления. При чрезмерном интенсивном перемешивании (особенно при "фонтанирующей" продувке) в металл могут "затягиваться" частички шлака, при этом содержание включений в металле не уменьшается, а увеличивается; может иметь место ускорение процесса разрушения огнеупоров, соответственно возрастает содержание в металле также и экзогенных включений.

На практике для каждого конкретного случая существует оптимальная интенсивность перемешивания, при которой обеспечивается всплывание включений. При этом важно организовать технологию так, чтобы всплывающее включение в момент соприкосновения со шлаком успело им ассимилироваться прежде, чем нисходящие потоки металла увлекут его вниз. Скорость "захватывания" зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак — включение вш-шл. Чем меньше эта величина, т.е. чем лучше смачиваемость включения шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Таким образом, чем больше ^м-вкл> тем легче включение отделяется от металла и чем меньше <хш_вкл, тем легче включение ассимилируется шлаком.

Перемешивание расплава и выравнивание его состава и ^мпературы (гомогенизация) при продувке газом определяются способом подачи газа, интенсивностью подачи и ее Продолжительностью. В технической литературе для общей °Ченки ситуации часто используют термины "работа перемешивания", "мощность перемешивания". Эти величины определяются расчетом, экспериментально или моделированием, фиведем   несколько   характерных   примеров.   

Выбор оптимальной мощности перемешивания имеет большое практическое значение, так как обоснованный выбор параметров перемешивания позволяет обоснованно определим продолжительность продувки, обеспечивающую полное перемешивание и гомогенизацию расплава. Решению этой проблемы посвящено много исследований, проводимых как на моделях, так и на производственных агрегатах (с использованием в качестве индикаторов меди, серы, алюминия, а также ради°' активных изотопов и т.п.).

В.Г.Кадуков с соавторами также обращают внимание на Многообразие факторов, влияющих на результаты продувки, вследствие   чего   не   удается   добиться   полной   однородности модели и оригинала и на необходимость в конкретных условиях производства определять необходимую продолжительность продувки путем прямого эксперимента. В данной работе проведены прямые опыты для оценки минимальной продолжительности продувки аргоном в 130-т ковше. В качестве индикатора степени гомогенизации металла использовали медь. На трех плавках газ в расплав вводили применяемой в цехе погружаемой фурмой - расходуемой футерованной трубой с внутренним диаметром 40 мм. На двух дополнительных плавках аргон подавали при помоши опытных фурм с коническим и щелевым соплами.

Медь имеет большую плотность, чем жидкая сталь (8,6 г/см3 при комнатной температуре,. 8,0 г/см3 при 1600 °С), низкую температуру плавления (1083 °С), высокую теплопроводность. Введенная в расплав твердая медь опускается на дно ковша и образует там железомедный расплав с высоким содержанием меди. При последующей продувке потоки металла постепенно вынесут ее в верхние горизонты и по всему объему ковша.

(3.4)

В негомогенизированной ванне индикатор распределен неравномерно. Содержание меди в пробе, отобранной из такой ванны, характеризует лишь локальную концентрацию ее в расплаве. В таких случаях сравнивали содержание индикатора в пробе с тем, какое оно должнр быть в гомогенизированной ванне (в маркировочной пробе)

По мере перемешивания расплава величина 1У возрастает. Судя по результатам опытов, при работе с фурмой-трубой важное значение имеет продолжительность продувки: Д"" плавки массой 110—115 т она должна быть не менее 10 мин. При продувках фурмами со щелевым и коническим соплами металл энергично перемешивается: на плавке 4 расплав был усреднен за 4,5 мин (/у = 0,04), на плавке 5 - за 3 мин (/у =0,03). В соответствии с этим и скорости гомогенизации на этих плавках значительно больше — 13,3 • 10~3 " 2-10"3%/мин.   Наблюдаемое   различие   скоростей   гомогенизаиии при продувках фурмой-трубой и фурмами со щелевым или коническим соплом В.Г.Кадуковым объяснено различием гидродинамической обстановки в ванне. В первом случае газо-вая струя поступает в расплав с небольшой скоростью и, обладая незначительной кинетической энергией, не внедряясь в расплав, непосредственно у среза трубы распадается на поток относительно крупных пузырей. При продувке коническим или щелевым соплами струя в расплаве распадается на мелкие пузыри, что обеспечивает лучший обмен количеством движения между газовой и жидкой фазами. Гидродинамическая обстановка в ковше в этом случае близка к гидродинамической обстановке, складывающейся при продувке через пористые вставки. Это позволило предположить, что при продувке стали в ковше фурмой (расходуемой трубой) время, необходимое для гомогенизации ванны, мало зависит от глубины и интенсивности подачи газа в расплав. Решающим фактором при таком способе продувки является продолжительность операции. Экономически целесообразно подачу газа производить фурмами, снабженными щелевым или коническим соплом( Оценку времени, необходимого для гомогенизации ванны, можно производить, основываясь на данных о практических скоростях охлаждения металла в ковше на продувке.

В целом можно сказать, что при решении вопроса о выборе режима продувки необходимо в каждом конкретном случае учитывать как условия производства (вместимость и характеристики футеровки ковшей, возможность перегрева металла и т.п.), так и задачи, цели, поставленные перед обработкой (для дегазации, удаления включений, гомогенизации, охлаждения и т.п.). При этом важно учитывать инерционность процессов перемешивания, вызываемых продувкой. На эго обращено внимание в ряде исследований. В настоящее время продувка металла инертными газами является, как пРавило, частью комплекса технологий внепечной обработки, Для которых важнейшим элементом является перемешивание иродувка порошками, обработка шлаками, дегазация );   в   этих   случаях   продувка   металла   является   вспомогательной    операцией.    Автором    настоящей    книги    показано что для более полного удаления сульфидных включений после вдувания в ковш десульфурирующих порошков необходим определенный промежуток, в течение которого продувкой газами организуется движение металла в ковше. Одновременно показано, что организация (путем продувки) перемешивания металла в ковше до вдувания порошков позволяет эти порошкообразные реагенты расходовать более рационально.

Таким образом, в настоящее время продувка ванны порошками является одним из наиболее доступных и простых способов организации движения металла и его перемешивания в ковше.

В  этой  связи  заслуживают  упоминания  результаты  исследований, проведенных для со".оставления эффективности перемешивания продувкой инертным газом и индукционного. Изучение ковшовых установок рафинирования стали вместимостью от 10 до 300 т позволило сопоставить эффективность перемешивания металла продувкой аргоном или индукционным методом при помощи электромагнитных перемешивателей (ЭМП). Эксплуатационные затраты на перемешивание для ЭМП ниже, а капитальные выше, чем при продувке; технологические преимущества по снижению содержания включений, газов и вредных примесей имеет продувка аргоном; исходные показатели по электроэнергии и ковшовым огнеупорам при использовании ЭМП в случае работы с тонким слоем синтетического шлака мало отличаются от показателей при работе на пенистом шлаке, который экранирует футеровку от радиационного воздействия длинных дуг. Выбор метода перемешивания и конструкции установки печь — ковш должен проводиться с учетом этих обстоятельств.