содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

1.2. Особенности физических процессов, протекающих при внепечной обработке и разливке стали

Многоплановость задач, решаемых с помощью различных способов внепечной обработки стали, и разнообразие этих способов, обусловили взаимосвязь всех известных технологических приемов, направленных на повышение качества получаемой металлопродукции, с протеканием следующих процессов: газовыделения;

взаимодействия жидкого металла с пузырьками вводимого в него газа; взаимодействия потоков металла с частицами твердых материалов, присаживаемых в расплав;

взаимодействия струи металла с окружающей атмосферой.

Поскольку все перечисленные процессы, обусловливающие тепло- и массоперенос в жидкой и газообразных средах, подчиняются законам гидрогазодинамики, основные ее положения позволяют описать и объяснить особенности физических явлений, протекающих при внепечной обработке и разливке стали. Рассмотрим эти особенности.

Вакуумирование стали, предназначенное, как уже отмечалось, для ее дегазации, основано на свойстве газов снижать свою растворимость в жидком металле, если уменьшается давление над его свободной поверхностью при неизменной температуре.

Процессы удаления растворенных в стали газов протекают по-разному. Снижение концентрации водорода и азота происходит в результате таких процессов, как диффузия газа к свободной поверхности и непосредственный его переход из расплава в окружающее пространство, образование пузырей на поверхности футеровки или имеющихся неметаллических включений и последующее их всплытие из жидкого металла, захват газа и вынос его на поверхность пузырями образующейся в процессе вакуумирования окиси углерода или вдуваемого аргона. Интенсивность протекания и связанная с нею степень влияния перечисленных процессов на эффект дегазации зависят от условий реализации технологии вакуумной обработки стали. В общем случае уменьшение содержания в стали водорода и азота в процессе ее вакуумирования определяется разрежением, достигаемым в вакууматоре, отношением поверхности дегазации к объему обрабатываемого металла и длительностью обработки. Поскольку увеличение продолжительности вакуумирования приводит к повышенным тепловым потерям, то для роста скорости дегазации на практике стремятся обеспечить минимально возможное давление над поверхностью расплава и интенсифицировать его перемешивание.

При этом следует учитывать то обстоятельство, что водород, не вступающий в реакции с входящими в состав расплавленной стали другими элементами и обладающий большой подвижностью, достаточно хорошо удаляется при давлении в вакууматоре порядка 65-70 Па. Для удаления азота требуется более глубокий вакуум, поскольку он менее подвижен в жидком металле и процессу его выведения из расплава препятствуют элементы, имеющие к нему более высокое, чем железо, химическое сродство.

В отличие от водорода и азота непосредственное удаление кислорода из металла под вакуумом практически неосуществимо. Его выделение может происходить только за счет образования монооксида углерода (углеродное раскисление).

В процессах вакуумирования стали в ковшах большой вместимости (более 100 т) с целью обеспечения равномерного ее перемешивания в “мертвых” зонах (придонная область) и компенсации тепловых потерь в последнее время широко используют продувку вакуумируемого металла инертными газами через пористые пробки и электродуговой подогрев, осуществляемый как при атмосферном давлении (процессы ASEA-SKF и LF), так и под вакуумом (процесс VAD).

При циркуляционном (процесс RH) и порционном (процесс DH) ва-куумировании, предполагающих проведение обработки не всего металла в ковше сразу, а определенной его части в специальной вакуумной камере, но с таким расчетом, чтобы весь объем расплава был пропущен через нее минимум три раза, также стремятся обеспечить развитие мощных циркуляционных потоков жидкой стали с высокой степенью турбулентности и увеличения поверхности дегазации. В процессе циркуляционного вакуумирования росту скорости движения жидкой стали способствует повышение интенсивности подачи транспортирующего газа во всасывающий патрубок камеры, однако прирост скорости циркуляции потоков металла при повышении расхода вдуваемого газа происходит неравномерно, а в момент наступления пробойного режима истечения инертного газа и вовсе прекращается. Данное обстоятельство является одним из определяющих при расчете оптимальных технологических параметров RH-процесса.

В условиях реализации порционного вакуумирования скорость циркуляции стали как в самой камере, так и в объеме ковша определяется одновременным воздействием нескольких факторов: рабочего хода, скорости перемещения вакуумной камеры, длительности ее выдержки в верхнем и нижнем положениях.

Струйное вакуумирование при переливе металла из одной металлургической емкости в другую, а также поточное вакуумирование в ходе непрерывной разливки стали имеют общую особенность, заключающуюся в том, что в отличие от рассмотренных выше способов дегазации расплава длительность воздействия на него вакуума значительно меньше, а поверхность массопередачи, вследствие дробления истекающей струи, существенно больше. В таких условиях, когда путь диффузии растворенных газов очень мал, происходит не только интенсивное удаление водорода и азота из стали, но и достаточно полное ее раскисление за счет активного взаимодействия углерода и кислорода.

Продувка стали инертным газом предназначена для снижения неоднородности металла по температуре и химическому составу, улучшения условий удаления из него неметаллических включений, а также для частичной дегазации расплава.

В зависимости от поставленной цели для осуществления инжекцион-ной обработки стали требуется не только применение соответствующих продувочных устройств, но и выбор оптимального места их установки и обеспечение требуемой интенсивности ввода инертного газа и режима его истечения в жидкий металл, поскольку названные факторы оказывают решающее влияние на гидродинамику процессов, протекающих в перемешиваемом расплаве [21]. Например, для снижения градиента температуры стали в объеме ковша, а также колебаний концентраций содержащихся в ней элементов необходимо обеспечить устойчивую циркуляцию жидкого металла, исключающую наличие “мертвых” зон.

Указанные условия могут быть соблюдены при сосредоточенном вводе в расплав газа с помощью продувочного устройства, смещенного от центральной оси разливочного ковша к его боковой поверхности.

Совершенно иные требования к организации процесса продувки металла предъявляются в случае, когда целью обработки стали является очистка ее от газовых включений, вызывающих возникновение в металле таких дефектов, как флокены, волосовины, подкорковые или внутренние пузыри, а также осевая пористость и пятнистая ликвация.

Процесс удаления вредных газов из стали во время ее продувки в некоторой мере аналогичен вакуумированию. Пронизывающие толщу жидкого металла пузырьки аргона являются полостями, в которых парциальное давление других газов (Н2, N2, СО) ничтожно мало, поэтому они поглощаются всплывающими пузырьками инертного газа и выносятся в

окружающее пространство. Достигаемая при этом степень дегазации стали зависит от размеров и количества пузырьков аргона, а также от времени их пребывания в перемешиваемом жидком металле. В связи с этим для ощутимой дегазации продуваемой аргоном стали одновременно стремятся повысить удельный расход рафинирующего газа и обеспечить его ввод в металлическую ванну в строго выраженном пузырьковом режиме.

Эффективность применения способа внепечного рафинирования стали с целью десульфурации, раскисления и удаления неметаллических включений за счет использования шлаков и специальных смесей с определенными физико-химическими свойствами в значительной мере зависит от различных факторов, способствующих или, наоборот, препятствующих успешному решению поставленных задач.

По данным работы [22] скорость снижения концентраций серы и кислорода в стали, обрабатываемой синтетическим шлаком в ковше, может быть рассчитана с помощью уравнения

Нетрудно заметить, что скорость раскисления или десульфурации металла будет возрастать при повышении интенсивности перемешивания расплава в ковше, поскольку в этом случае одновременно увеличивается и коэффициент массопередачи и удельная поверхность за счет изменения гидродинамических условий циркуляции потоков жидкой стали, способствующих эмульгированию рафинирующего шлака. Однако при определенных условиях интенсификация перемешивания расплава может вызвать и обратный процесс перехода вредных примесей в металл, что неоднократно наблюдалось на практике, когда в ковш попадало значительное количество высокоокисленного печного шлака.

Вероятность того, что десульфурация стали в ковше может не только прекратиться, но и перейти в ресульфурацию в случае смешения синтетического шлака с печным очень велика, поэтому для успешной реализации технологии очистки металла от вредных примесей необходимо обеспечить надежную отсечку конечного технологического шлака во время выпуска плавки.

Эффективность взаимодействия жидкой стали с реагентами, вводимыми различными способами с целью блокирования негативного влияния на ее структуру таких вредных примесей, как сера и фосфор, а также придания ей специальных свойств, во многом зависит не только от оптимального состава присаживаемых добавок, но и от обеспечиваемых условий подвода участвующих в химической реакции компонентов и последующего удаления из реакционной зоны образовавшихся продуктов.

Наиболее благоприятные условия контакта твердых реагентов с жидкой сталью, способствующие увеличению скорости их химического взаимодействия и степени использования, обеспечиваются при вдувании материалов в порошкообразном виде. Достоинством метода является также то, что нейтральный газ-носитель кроме транспортирующей функции дополнительно интенсифицирует перемешивание обрабатываемого расплава, ускоряя тем самым процесс удаления из него продуктов реакции. Благодаря этому с помощью метода инжекции газопорошковых смесей можно успешно решать технологические задачи, связанные с дефосфорацией, десульфурацией, раскислением, науглероживанием и легированием металла. Однако следует отметить то обстоятельство, что при широкомасштабном освоении этого способа внепечной обработки необходимо решать вопросы, связанные с приготовлением и хранением порошков, а также с обеспечением условий безопасной подачи их к продувочному устройству, исключающих возможность возникновения пожара или взрыва.

Указанные проблемы использования реагентов в порошкообразном виде потребовали разработки альтернативных способов ввода материалов в жидкий металл. Одновременно с этим принимались меры по снижению угара и повышению стабильности усвоения подаваемых в расплав компонентов, что имело особое значение для успешного внедрения в практику технологии “позднего микролегирования” стали, предполагающей присадку лигатуры в жидкий металл непосредственно перед началом его кристаллизации. В подобных случаях процессы плавления и растворения введенных компонентов, влияющих на структуру затвердевающей стали, протекают во время движения металла по каналам сифонной проводки и заполнения ими изложниц, поэтому эффективность данного способа повышения служебных характеристик получаемой металлопродукции в значительной мере определяется обеспечиваемой равномерностью ввода легирующих добавок во время разливки, а также ее гидродинамическими условиями.

Практика использования различных методов внепечного воздействия на выплавленную сталь свидетельствует о существенном влиянии на достигаемые с их помощью показатели улучшения свойств металла технологических особенностей его разливки. К таким особенностям, в первую очередь, следует отнести применение систем защиты открытого участка струи металла, истекающей из разливочного и промежуточного ковшей, а также конструктивное исполнение применяемых защитных приспособлений.

Физические процессы, обусловленные взаимодействием движущейся с большой скоростью струи стали и окружающей ес газовой или воздушной среды, часто ослабляют положительные результаты, которых удалось добиться за счет внепечного воздействия на выплавленный металл.

Таким образом, успешное применение прогрессивных технологий повышения качества произведенной стали требует всеобъемлющего изучения особенностей физических процессов, протекающих как в самом жидком металле, так и в граничащем с ним слое газовой или воздушной среды.