Сапалы болаттың құйылуы

Жұмыстың мақсаты: Сапалы болаттың құйылуын зерттеу.

Жұмыс жоспары:

1. Диффузиялық қышқылсыздану

2. Сұйық қожбен металды өңдеу және қожды қоспалармен құю

3. Сұйық синтетикалық қожбен десульфурация

4. Есеп шығару мысалдары

5. Өзіндік жұмысқа арналған тапсырмалар

Кілт сөздер: Диффузиялық қышқылсыздану, қышқылсыздану, қышқылдандырғыштар, синтетикалық қождар, қожтүзуші қоспалар, құймақалып.

Бақылау сұрақтары:

1. Құюдың белгілі тәсілдерінің кемшілігі болып не саналады?

2. Диффузиялық қышқылсыздануды қай жерде қолданылады?

3. Қандай синтетикалық қождарды сапалы болатты құю кезінде қолданады?

4. Жұмыстың мақсаты қандай?

5. Сұйық синтетикалық қождарды десульфурациялау кезіндегі артықшылықтарды атаңдар.

Глоссарий:

1. Диффузиялық қышқылсыздану - ерекше жауапты қолданысқа ие құйылатын болаттың сапасын арттыру әдісі.

Теориялық бөлім

Құюдың белгілі тәсілдерінің кемшілігі болып құймақалыпта металл бетінің қарқынды қатуы саналады.

Құйманы толтыру үрдісінде металл айнасында әртүрлі тотықтардан тұратын сыртқы қабаттар түзіледі. Ол құймақалып қабырғаларында бірнеше рет айналады, металмен құйылып, металл бетінде ақаулардың және макроструктуралар түзілуіне әкеп соқтырады.

Ауаның тотықтырғыш әсерінен қорғану және металл айнасынан жылуды шашыратуды азайту мақсатында қождың астында құюды қолданады. Бұл кезде металл терең қышқылдануға ұшырайды.

Диффузиялық қышқылсыздану

Бұл әдіс болат балқытқыш агрегаттарда (шығару кезінде) және шөміштерде қолданылады. Диффузиялық қышқылсыздану көпшілік жағдайда ерекше жауапты қолданысқа ие болат сапасын арттыру мақсатында қолданады. Қожды қышқылсыздандыру үшін алюминий ұнтағы, жоғары пайыздық ферросилиций мен кокстар (75%-дан артық) керек.

Мұндай қышқылсызданудың кемшілігіне артық мөлшердегі қышқылдандырғыштар шығынын және балқыманың ұзартылуын жатқызуға болады.

Диффузиялық қышқылсызданудың үлкен ұзақтығы оттектің массатасымалдау үрдісінің келесі сараптамасымен дәлелденеді.

Металдан қожға оттектің ауысу жылдамдығы металл - қождың шекаралық қабатындағы диффузиялық теңдеумен жазылады:

- d[%О] / dτ = β_[О]{[%О] - а_(feO)L_o} · S_{м / қ} / V_м, (13.1)

мұндағы, S_{м / қ} - металл - қож бөлігіндегі беттік аудан, м²; V_м - пештегі металдың көлемі, м³; β_о - оттектің салмақ тасымалдау коэффициенті.

Пеште салыстырмалы аз тереңдікте S_{м / қ} / V қатынасы үлкен емес. Егер, мәселен, ваннаның орташа тереңдігі 0,5м - ді құраса, онда бұл қатынас 2м² / м³ - қа тең.

13.1 теңдеуді шешу үшін [%О] арқылы үшінші ауыспалы а_(FeO) өлшемді өрнектеу қажет:

а_(feO) = [(%FeO)_бас + {[%О]_бас - [%О]} · 72 · 100 / 16 Қ]γ_(FeO), (13.2)

мұндағы, (%FeO)_бас + [%О]_бас - қождағы темір тотығының және металдағы оттектің бастапқы құрамы; Қ - қож мөлшері, % металл массасына; γ_(FeO) - қождағы темір тотығының белсенділік коэффициенті.

Алынған мәнді а_(feO) (13.1) теңдеуге қоя отырып, ауыспалы бөлшектену мен интеграцияланудан кейін табамыз:

lg · [%О]_бас - В / А / [%О] - В / А = Аτ / 2,303, (13.3)

мұндағы, А = β_[О]S_м.қ. / V_қ(1 + γ_(FeO)L_o7200 / 16Қ), В = β_[О]S_м.қ. / V_қ · γ_(FeO)L_o{(%FeO)_бас + [%О]_бас 7200 / 16Қ}.

В / A қатынасы металдағы оттектің құрамы қожбен тепе - теңдік кезіне тең.

В / A = [%О]_р.қ.,

бұл кезде металл мен қождың тепе - теңдігі кезінде оттек массасының балансы расталады:

[%О]_р.қ + [%О]_р.қ16Қ / 7200γ_(FeO)L_o = [%О]_бас + (%FeO)_бас16Қ / 7200;

[%О]_р.қ = [%О]_бас(%FeO)_бас · 16Қ / 7200 / 1 + 16Қ / 7200γ_(FeO)L_o = (%FeO)_басγ_(FeO)L_o + [%О]_бас7200γ_(FeO)L_o / 16Қ / 1 + γ_(FeO)L_o7200 / 16Қ = В / А.

Қожбен металды өңдеудің қажетті уақыты берілген айырмашылыққа тәуелді [%O] - В / А = [%O] - [%O]_р.қ.

Бұл уақытты келесі теңдеу бойынша есептеуге болады:

τ = 2 · 3 / А · lg · [%О]_бас - В / А / [%О] - В / А. (13.4)

(13.3) және (13.4) формулалары бойынша есептеулер металл мен қождар арасындағы толық тепе - теңдік оттек бойынша тек τ = ∞ кезінде жеткізіледі деп көрсетеді. Дегенмен жүйедегі тепе - теңдік жағдайына жақын мәселен [%О] - В / А = 0,001%, қышқылсызданудың шынайы мүмкін ұзақтық кезеңінде қол жеткізілуі мүмкін..

Сұйық қожбен металды өңдеу және қожасты қоспалармен құю

Сапалы болаттарды құю кезінде оны өңдеу үшін құрамында аздаған темір тотығы және балқу температурасы төмен сұйық синтетикалық қождар (1% артық) қолданылады. Шөміштегі металдың қышқылсыздануы мен десульфурациясына арналған қождар доғалық электропештерде балқытылады немесе қожтүзуші қоспалардың экзотермиялық өзіндік балқығыш қожтүзуші қоспалар қолданылады.

Қышқыл синтетикалық қождар белгілі, оның құрамы 47 - 48% SiО₂; 17 - 18% Аl₂O₃; 8 - 9% MgO; 5% ТiO₂; 6 - 8% СаО; < 1% FеО. Мұндай қождар тек қышқылсыздану үшін жарамды, бірақ десульфурациялау үшін жарамсыз.

Бірмезгілдік қышқылсыздану мен болаттың терең десульфурациялануы тек әкті - глиноземді қожды келесі құрамда қолдану кезінде қол жеткізіледі: 40 - 45% Аl₂O₃, 50 - 55% СаО и < 1% FeO. Мұндай қождың шығыны 6% - ға дейін металл массасынан дайын болат алуы кезінде қамтамасыз етіледі: [%О] = 0,003% және [%S] = 0,006 - 0,009%.

Доғалы пештегі дайындалған сұйық қож шөміште немесе құймақалып түбінде балқытылады. Пештен берілетін металдың энергиясы қожды ұсақ тамшыларға уату және металмен қож жанасуының үлкен ауданын жасайды. Қож массасына байланысты және жанасудың үлес ауданындағы тамшы металдағы 100 - 300м² / м³ дейін жетеді. Оттекті пешке диффузиялық қышқылсыздану арқылы жеткізгеннен, металл мен қож турбулизациясының қатынасы оттекті металдан қожға лезде жеткізілуін қамтамасыз етіледі.

Қождағы металл тамшысының максималдық радиусы (және металдағы қож тамшысы), металл ағынының құйылуында түзілетін сұйық қож ауданы келесі формула бойынша есептеледі:

r_мах = (3 / К_ƒ) ^{1 / 2} · δ_м.қ. / U²(ρ₁ρ₂)^{1 / 3}, (13.5)

мұндағы, K_ƒ - 0,5 - кедергі коэффициенті; δ_м.қ. - металл - қож шекарасындағы фазааралық созылу, Дж / м²; U - металл (қождың) тамшысының құлау (көтерілу) жылдамдығы, м / с; ρ₁, ρ₂ - қозғалатын тамшы мен сұйықтықтың тығыздығы, кг / м³.

δ_м.қ. = 0,5Дж / м²; ρ_м = 7000кг / м³; ρ_қ = 3000кг / м³; U = 0,3м / с; r_max = 10³м. Әрбір тамшы үшін металл - қож беттік бөлігі металл - қож көлеміне S_м.қ. / V қатынасы 10³м² / м³ есе артады, ол өз кезегінде үш тәртіпте пештегі металл - қож беттік үлесінен артық.

13.3 теңдеуді шеше отырып А = 9,66 ∙ 10^-2 және В = 8,65 ∙ 10^-4, табамыз, берілген жетістіктегі қажетті мөлшер [%О] τ = 38,5с құрайды. Өйткені, пештен металдың шығу кезеңі агрегат типіне тәуелді 200 - 1000°С құрайды, ал құймақалыпты толтыру уақыты - 100 - 200с, қожбен тепе - теңдік жағдайдағыдай оны металдың соңғы шығу кезеңінде шынайы деп санауға болады.

Соңғы құрамы [%О] = [%О]_р.қ.(қождың белгілі бір мөлшерінде Қ) немесе қождың қажетті мөлшері Қ металды қожбен өңдеу барысындағы оттек массасының [%О] балансы және оттек бойынша тепе - теңдік баланс негізінде жүйеге жақындау металды қожбен өңдеу кезінде есептеуге болады:

[%О]_р.қ. = а_(FeO)L_o = (%FeO)γ_(FeO) = [%FeO_бас + {[%О]_бас - [%О]_р.қ}72 · 100 / 16Қ] · γ_(FeO)L_o. (13.6)

13.6 теңдеуді шешкенде салыстырмалы түрде [%О]_р.қ алынады:

[%О]_р.қ. = [(FeO)_бас + [О]_бас · 7200 / 16Ш]γ_(FeO)L_o / 1 + 7200γ_(FeO)L_o / 16Қ. (13.7)

[%О]_р.қ, берілген және басқа параметрлерінде (Қ басқасы) синтетикалық қождың қажетті массасы (% металл массасына құрайды):

Қ = {[О]_бас - [%О]_р.қ.}7200γ_(FeO)L_o / 16{[%О]_р.қ.- (FeO)_басγ_(FeO)L_o}. (13.8)

(13.6), (13.7) теңдеулердің сараптамасы келесідей қорытынды жасауға мүмкіндік береді, металды синтетикалық қожбен өңдеу кезінде болаттың қышқылсыздану дәрежесі қождағы темір тотығының бастапқы белсенділігінің азаюы кезінде (а_(FeO)бас = (%FeO)_бас + γ_(FeO)) және қож мөлшерінің өсуімен артады. Сәйкесінше металды өңдеу кезінде қож тек аз (%FeO)_бас мөлшерде қолданылуы мүмкін, сонымен қатар белсенділіктің азғана коэффициентімен γ_(FeO) (яғни қышқыл немесе жоғарыглиноземді) болуы тиіс.

Алюминий тотығындағы қосылыстар металл шекарасында үлкен фазааралық созылуға ие және одан оңай ажыратыла алады (адгезия жұмысы аз), болатты жоғарыглиноземді қожбен өңдеген кезде металда қосындылар мөлшері аз мөлшерлі алюминий тотығын қожбен өңдегеннен қарағанда аз қалады.

Сұйық синтетикалық қожбен десульфурациялау

Металды сұйық негізгі және азтемірлі қожбен өңдеу болаттың терең десульфурациясының тиімді әдісі болып табылады, ол келесі артықшылықтарға ие:

- десульфурация терең қышқылданған сұйық болатпен үйлеседі;

- қождың сұйық жағдайы және оның жоғары температурасы үлкен мөлшерлі десульфураторларда болатты суытпай - ақ металды (6% - ға дейін металл массасынан) тазарту үшін қолдануға мүмкіндік береді;

- энергияны ұзақ уақыт бойы қолдану металды құю кезіндегі ағын энергиясын қамтамасыз етеді, ол металл - қож жүйесіндегі тепе-теңдікке толық жақындастырылуына қамтамасыз етіледі.

Терең десульфурация үшін қож құрамында темірдің құрамы 1% - дан аспауы керек. Әдебиеттік мәліметтерге қарағанда (%СаО) = 56 және (% А1₂О₃) = 44η_s = 180. Егер (%СаО) = 50; (% А1₂O₃,) = 39,28 және (%SiO₂) = 10,72 болса, онда η_s = 52. Әсіресе η_s (%FeO) > 1 лезде төмендейді. (%FeO) = 3η_s = 20 кезінде ((CaO / SiO₂) = 3,5).

Металдағы күкірт құрамы синтетикалық қожбен өңдегеннен кейін баланстық теңдеумен шешіледі:

[%S] = [%S]_бас. + (S)_п.қ М_п.қ. + М_м + (%S)_с.қ.М_с.қ. + М_м / 1+ (М_п.қ. + М_м + М_с.қ. + М_м) ƞ_s, (13.9)

мұндағы, [%S]_бас, (%S)_п.қ, (%S)_с.қ. - сәйкесінше металдағы, пештік және синтетикалық қождағы күкірттің құрамы, % масса бойынша; М_м, М_п.қ, М_с.қ. - сәйкесінше металл массасы мен шөмішке түскен пештік және синтетикалық қождың; η_s = (%S) / [%S] - өңдегеннен кейінгі күкірттің таратылу коэффициенті.

Синтетикалық қождың салыстырмалы мөлшері [%S] қажетті мөлшерге жеткенше, металдағы күкірт және белгілі кездегі қождың балансын есептеуге болады:

М_с.қ. / М_м = [%S]_бас. + (S)_п.қМ_п.қ. + М_м - [%S] (1 + ƞ_s) М_п.қ. + М_м / [%S]ƞ_s - (%S)_с.қ. (13.10)