2.3. Засвоєння кисню дуття

Відповідно до хвильової теорії взаємодії газового струменя з рідиною зона взаємодії при верхній продувці захлопнеться, якщо глибина зони взаємодії

L > πD3 (2.38)

при односопловій і

L>πD3n (2.39)

при багатосопловій фурмі, де D 3 і D3n визначаються за виразами (2.9) і (2.10).

При такому режимі взаємодії, яка вище названа режимом глибокого проникнення, коефіцієнт засвоєння кисню ванною ηо2стає стабільно високим, тому що краплі металу, які реагують з окислювальним газом, залишаються в межах ванни.

Оскільки зі збільшенням числа сопел при постійних витратах кисню глибина зони зменшується, а її діаметр, навпаки, збільшується, можна припустити, що багатосоплові фурми забезпечують меншу величину ηо2 У порівнянні з одноканальними.

Якщо бульба, що утворилася при верхній продувці, має величину D більшу, ніж глибина ванни D > he, то, припускаючи, що виступаюча над ванною частина бульби пропор­ційна не засвоєній частині кисню, одержимо

Такий пробій ванни приводить до того, що частина крапель металу, які несуть оксиди заліза, потрапить за межі металевої частини ванни у шлак, що змінить ту частку кисню, що вдувається, яка витрачається на окислення домішок металу і збільшить ту його частку, що потрапить у шлак у вигляді оксидів заліза.

При донній продувці з пробоєм ванни в період ежекції газу із бульби (рис. 2.3, б), що складає певну частину тривалості циклу утворення зони взаємодії, засвоєння кисню не відбувається, тому що утворені краплі металу виносяться за межі ванни. Чим довше триває ця частина циклу, тим менша величина ηо2 яка складає

де Рg, Р - густинність дуття і струменя у бульбі; kq - коефіцієнт ежекції газу із бульби струменем (kq ≈0,30).

Поряд з гідродинамічними факторами, що визначають засвоєння кисню дуття, існу­ють і фактори, пов'язані з хімічним складом металу, що продувається. Особливо значний вплив кремнію, що, окислюючись із металу крапель, утворює на їх поверхні плівку оксидів (рис. 2.6, б). Температура плавлення кремнезему складає 1712°С, однак він має високу в'язкість і при значно вищих температурах. Так, при температурі горіння металу в повітрі 1800-1900°С, що відповідає температурі зони взаємодії при повітряному дутті, коефіцієнт динамічної в'язкості кремнезему складає величину порядку 105 Па-с, а при 2500°С, що відповідає кисневому дуттю - 103 Па-с. При такій в'язкості оксидної плівки масоперенос кисню через неї за схемою (2.23) - (2.25) практично припиняється, краплі металу не горять і кисень дуття не засвоюється. Експериментально встановлено, що при вмісті кремнію у чавуні понад 4% засвоєння кисню не відбувається і процес не йде.

При більш низьких концентраціях кремнію в конвертерній ванні і металі крапель в оксидній плівці поряд із кремнеземом розчинені оксиди заліза, що знижує її в'язкість, забезпечує через неї масоперенос кисню і, отже, його засвоєння ванною.

Таке пасивуюче засвоєння кисню дія кремнію знижується з підвищенням температури, тому що при цьому вуглець металу набуває здатності руйнувати оксидну плівку, яка містить кремнезем по реакції

2[C]+(SiO) → 2{CO}+[Si] (2.42)

Крім того, при низьких температурах початку конвертерного процесу лімітуючою ланкою його засвоєння може стати хімічна реакція розчинення кисню в металі

1/2{02}→ [0], (2.43)

що є, очевидно, одним із етапів реакції горіння заліза (2.21) і засвоєння кисню, тому що її енергія активації, близько 500 кДж/моль, досить велика.

Тому в усіх конвертерних процесах відзначається збільшення коефіцієнта засвоєння кисню в міру підвищення температури ванни, що описується виразом

При всіх видах конвертерних процесів, варіантах підведення дуття і його складі відзначається, що в середню третину продувки при високому вмісті вуглецю коефіцієнт засвоєння кисню ванною складає близько 1, при цьому практично весь кисень витрачається на окислення вуглецю, тобто ηc → 1.

У заключній частині продувки, в міру зменшення вмісту вуглецю, величина ηc зменшується, а ηо2 може залишатися максимально можливою, тобто складати близько 1. Оскільки в цей період у металі в помітних концентраціях звичайно знаходяться Fe, С, Мп, то різниця між ηо2 і ηc витрачається на окислення заліза і марганцю, оксиди яких переходять у шлак. Така закономірність пов'язана з тим, що засвоєння кисню дуття і окислення домішок відбувається переважно у зоні взаємодії, що складає лише частину об'єму ванни. Тому для того, щоб кисень витрачався на окислення вуглецю, необхідно, щоб останній надходив у зону взаємодії. Це відбувається в результаті перемішування ванни завдяки руху через ванну газів, що є як інертною частиною дуття (азот повітряного дуття і технічно чистого кисню, інертні гази, що навмисне вдуваються у ванну для здійснення перемішування), так і продуктами окислення вуглецю.

В міру окислення вуглецю, друга складова джерел перемішування зменшується і, відповідно, сповільнюється перемішування і підведення потоками металу вуглецю із периферійних ділянок ванни у зону взаємодії. У цьому випадку в первинній зоні взаємодії

з асвоєння кисню може знизитись, якщо процес вибуху крапель є необхідною умовою засвоєння. Якщо ж розміри утворених крапель досить малі, а їх кількість досить велика, щоб засвоєння кисню здійснювалося цілком, то ηо2 не зміниться. Останнє мож­ливо при відповідній швидкості обтікання газовим потоком поверхні утвореної бульби (зони взаємодії).

Однак у будь-якому випадку, в міру вигоряння вуглецю і зменшення його кон­центрації у ванні, при даній інтенсивності перемішування останньої, настає момент, коли масова інтенсивність надходження вуглецю у зону взаємодії з потоками металу стає менша, ніж та масова інтенсивність його окислення, яка могла б бути забезпечена існуючими витратами кисню дуття. Починаю­чи з цього моменту, при ηо2 > 1 величина ηс починає зменшуватись і стає тим меншою, чим нижчий вміст вуглецю у ванні.

Чим нижча інтенсивність перемішування ванни, тим вища концентрація вуглецю, при якій це відбувається. Тому при верхній продувці величина ηс зменшується тим швидше, чим більша висота фурми над ванною (рис. 2.7). При С → 0 величина ηс →0, хоча величина ηо2 може залишатися досить високою. Тому засвоєний кисень, що перетворився в оксиди заліза, надходить у шлак, збільшуючи його окисленість. Чим нижчий вміст вуглецю у продутій сталі, тим вища окисленість шлаку, що викликає втрати виходу придатної рідкої сталі, підвищений знос футеровки конвертера та інші негативні наслідки.

Однак той факт, що частина кисню дуття перетворюється в оксиди заліза шлаку, носить і позитивний характер, тому що останні знижують температуру плавлення шлаку, що сприяє підтриманню його у рідкорухомому стані і, отже, робить активним при взаємодії з металом.

Однією із цілей керування конвертерним процесом є перерозподіл кисню, що вдувається, між процесом окислювання домішок, які містяться в металі, і шлаком. В залежності від складу шихти і сортаменту сталей, що виплавляються, цей перерозподіл може бути різним за величиною. Чим важливіший процес шлакоутворення, як, наприклад, при переробці фосфористих чавунів, тим більша частина кисню, що вдувається, повинна надходити у шлак у вигляді оксидів заліза.