книги из ГПНТБ / Кочо, В. С. Физико-химические и теплофизические особенности современного мартеновского процесса

уменьшения интенсивности образования неметаллических включе­ ний после ввода раскислителей (в металле есть лишь небольшая часть готовых поверхностей, на которых происходит зарождение и укрупнение неметаллических включений) и увеличения абсолютного содержания включений (более горячий металл является более переокисленным), с другой стороны, улучшения условий их всплыва­ ния в перегретом металле до момента его затвердевания. Первые два фактбра могут оказаться превалирующими и содержание неме­ таллических включений в металле будет также повышенным.

При оптимальных температурах металл не является настолько переокисленным, чтобы повысить абсолютное содержание неметал­ лических включений после раскисления, но и не настолько холод­ ным, чтобы после ввода раскислителей затруднить образование и удаление из металла неметаллических включений, образовавшихся

на готовых поверхностях исход­ ных включений. Результатом такого оптимального сочета­ ния факторов является пони­ женное содержание неметалли­ ческих включений в готовом металле.

Видимо, проявлением отме­ ченных выше закономерностей можно объяснить существова­ ние экстремальной зависимо­ сти между содержанием неме­ таллических включений в ме­ талле после раскисления и температурой металла на вы­ пуске (рис. 60), обнаруженной нами экспериментально при

исследовании процесса выплавки стали в электропечах. Решающая роль кипения ванны в процессах очищения металла

от включений неоднократно отмечалась при проведении производ­ ственных экспериментов и постановке специальных лабораторных исследований [157—-159].

Скорость уменьшения содержания оксидов в металле можно рассматривать как параметр, характеризующий кинетику удаления оксидов из металла. Для исключения влияния абсолютного содер­ жания включений в металле на кинетику их удаления по результа­ там производственных исследований рассчитывали относительную скорость удаления оксидов из кипящего металла в период доводки плавки по формуле

где Ni — содержание оксидов в металле в момент времени тц

Nг— то же в момент времени т2 в промежутке времени ti—т2 (присадки в ванну не давали).

128

позиций, учитывающих действие межфазных сил на границах контакта включение—металл и включение—шлак [153, 156, 162—171].

ВЛИЯНИЕ СИЛ МЕЖФАЗНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА УДАЛЕНИЕ ОКСИДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Несмотря на обилие экспериментального материала, получен­ ного в результате проведения производственных и лабораторных исследований и подтверждающего влияние сил межфазного взаи­ модействия на процесс удаления включений, к сожалению, отсут­ ствует еще законченное теоретическое обобщение, которое могло бы вскрыть механизм этого взаимодействия.

Наиболее полно современные представления о механизме уда­ ления включений из стали систематизированы в работах [153, 156, 166], где исследователи пытаются количественно обосновать влия­ ние межфазной энергии на процесс удаления неметаллических включений из металла. На основании изложенного попытаемся в первом приближении объяснить закономерности, представленные на рис. 61, взяв за основу теоретические положения указанных работ.

Долгое время скорость удаления неметаллических включений из жидкого металла исследователи связывали лишь с размерами включений, полагая, что на включение действуют две силы: сила сопротивления движения сферического тела в вязкой жидкости

Выражение (88) в металлургии известно как формула Стокса.

В дальнейшем появились работы [172, 173], количественно уточ­ няющие формулу (88), однако предпочтение отдавалось абсолют­ ным размерам включений, что вообще не вызывает особых сомне­ ний в том смысле, что включения больших размеров действительно всплывают с большей скоростью.

Формулы, подобные (88), совершенно не учитывают атомно­ молекулярного взаимодействия между включением и сталью, на

130

возможность которого было указано впервые Сапиро [174] и Доб­ рохотовым [162]. Особенно это относится к частицам небольших размеров, удельная поверхность которых настолько велика, что силы атомно-молекулярного или физико-химического взаимодейст­ вия их со сталью могут оказаться соизмеримыми с выталкивающей

силой.

Согласно уравнению Дюпре [175], прочность сцепления шлака с жидким металлом характеризуется адгезией W&

шлака и тем лучше происходит их смачивание (с увеличением сма­

окислов уменьшается их взаимодействие со сталью и увеличивается межфазная поверхностная энергия, вследствие чего включения, в составе которых преобладают химически устойчивые феррофобные включения, легко отделяются от стали. Феррофобные включе­ ния быстро коагулируют и при всплывании испытывают наименьшеесопротивление со стороны стали. Чем меньше термодинамическая (химическая) устойчивость включений, тем больше их взаимодейст­ вие с металлом и тем меньше межфазная энергия на поверхности их соприкосновения с жидкой сталью (феррофильные). Всплыва­

ходит смачивание, тем медленнее всплывают из жидкой стали не­ металлические включения. Таким образом, увеличение поверхност­

стали от включения AnR2(Wa — 2оВКл) совершается на пути, не пре­ вышающем половины периметра включения яR. В связи с этим сила, которую необходимо приложить для преодоления межфазного

В результате совместного решения уравнений (86), (87) и (91) было найдено выражение для определения скорости всплывания включения из стали

В дальнейшем Прохоренко1, анализируя формулу Стокса, при­ шел к выводу о необходимости учета действия капиллярных сил на включение, на поверхности которого адсорбируются поверхностно активные вещества. Так, плотность диффузионного потока поверх­ ностно активных веществ наибольшая в лобовой части всплываю­ щего включения и наименьшая — в хвостовой. Разность капилляр­ ных давлений обусловливает возникновение дополнительного уси­ лия, действующего на включение:

где R ■— радиус включения;

Дсг — разность между значениями межфазных натяжений в ло­

По мнению Прохоренко, величина Ad в уравнении (94) меньше разности плотностей стали и вещества включения, так как в стали всплывает не включение само по себе, а включение, окруженное пленкой стали, величина которой равна

где Ri = K i---- q . cos 0

Причем указанное отклонение тем меньше, чем меньше степень смачивания включения сталью, т. е. чем больше межфазное натя­ жение включение—сталь, тем больше скорость всплывания включе­

ния из стали.

Пользуясь формулами (92) и (94), легко показать, что включе­ ния окиси алюминия всплывают из жидкой стали в несколько раз быстрее, чем включение двуокиси кремния такой же величины, так как поверхностное натяжение авкл для окиси алюминия больше, чем для двуокиси кремния. Именно этим можно объяснить эксперимен­ тальную зависимость, представленную на рис. 61. Ведь ряд окислов

’ П р о х о р е н к о К. К. Неметаллические включения, уменьшение их со­ держания раскислением и обработкой стали шлаком в кристаллизаторах. Автореф. докт. дис. Магнитогорск, 1968.

132

по мере уменьшения их термодинамической устойчивости (а следо­ вательно, и увеличения эффекта смачиваемости их металлом [177]) можно представить так: А120 3, Si02, FeO, т. е. скорость всплывания включений должна быть наибольшая у оксидов с преобладанием в них А120 3 и уменьшается для последующих видов окислов ука­ занного ряда, что хорошо согласуется с закономерностями, пред­ ставленными на рис. 61.

Действительно, при относительно спокойном металле (в области пониженных значений скорости обезуглероживания) и малых раз­ мерах исходных включений в стали доля межфазных сил, действую­ щих на включение [см. формулы (92) и (94)], особенно велика и поэтому велика разность скоростей удаления, например, для окис­ лов алюминия и закиси железа (см. рис. 61). По мере увеличения скорости обезуглероживания увеличивается мощность перемешива­ ния и связанная с ней вероятность взаимных столкновений и укруп­ нений включений [158, 159]. В результате укрупнения включений доля межфазных сил, действующих на включение, уменьшается, поэтому уменьшается разность скоростей удаления для различных окислов, а при значительном перемешивании металла (см. рис. 61, область высоких скоростей обезуглероживания) эта разница прак­ тически исчезает, и большие значения скоростей удаления включе­ ний обусловлены уже в основном актом укрупнения неметалличе­ ских включений при сильном барботаже ванны (увеличивается, например, уменьшаемое в выражении, определяющем скорость всплывания включений).

Что касается коагуляции включений при столкновениях, то тер­ модинамически устойчивые окислы коагулируют лучше, так как силы, удерживающие частички вместе, увеличиваются по мере уве­ личения натяжения на границе раздела частичка—жидкая сталь

[167].

Таким образом, очевидна решающая роль в процессе удаления включений акта укрупнения включений при большой интенсивности перемешивания металла 1 и действия межфазных сил включение— металл в случае слабого перемешивания металла2.

Следует отметить, что процесс удаления включений из металла можно условно считать двустадийным. Fla первой стадии включе­ ния должны всплыть из металла и достичь межфазной границы ме­ талл—шлак. На второй стадии включения должны прочно ассими­ лироваться шлаком, в противном случае под действием конвектив­ ных потоков успешно достигшие поверхности металла включения вновь могут увлекаться во внутренние объемы металла. Таким об­ разом, шлаковая фаза выполняет своеобразную роль губки, погло­ щающей включения.

133

По данным работ [168, 169], скорость поглощения частиц шла­ ком при прочих равных условиях тем выше, чем больше межфаз­ ная энергия на границе включения с металлом.

В связи с этим ассимиляция глиноземных частиц шлаком про­ текает быстрее, чем частиц с высоким содержанием кремнезема. В работе [178] значительная скорость удаления глинозема в усло­ виях турбулентного перемешивания металла при выпуске плавки в ковш объясняется более высокой скоростью поглощения шлаком включений глинозема (по сравнению с силикатами) вследствие меньшей адгезии его к металлу. В ряде экспериментальных работ по раскислению стали [168, 169, 178] показано, что в поглощении включений участвует не только шлак, но и, например, футеровка ковша, в котором производится раскисление (вероятно, по типу ко­ агуляции твердых частиц).

Таким образом, очевидна роль ассимилирующей фазы в процессе удаления включений из металла. Причем эта роль является тем более решающей, чем с большей интенсивностью перемешивается металл, поскольку даже приближенные расчеты показывают, что скорость конвективных потоков металла может быть намного выше скорости всплывания включений из металла (например, для усло­ вий кислородно-конвертерной плавки) и процесс удаления вклю­ чений будет определяться не транспортировкой включений к шла­ ковой фазе, а кинетикой собственно процесса поглощения включе­ ний шлаком [168, 169].

На основании изложенного и данных рис. 61 молено предполо­ жить, что при дальнейшем увеличении скорости обезуглерожива­ ния (интенсивности перемешивания ванны) существенного увели­ чения скорости удаления всех типов включений не должно про­ изойти, поскольку в условиях существования мощных конвективных потоков металла скорость подвода к шлаковой фазе для всех окси­ дов была бы одинакова и скорость удаления включений из металла лимитировалась бы скоростью поглощения частиц шлаком. Для 600-т печи указанный эффект достигается при удельных мощностях перемешивания >0,12 кВт/т.

Закономерности, представленные на рис. 61, позволяют указать на одну из основных причин различных мнений исследователей о целесообразности ввода алюминия в сталь.

Исследователи, которые анализировали скорость удаления ок­ сидов при вводе различных раскислителей в спокойный металл (предварительно раскисленный, например), отчетливо наблюдали большие скорости удаления глинозема А120 3, например по сравне­ нию с кремнеземом (см. рис. 61, область низких скоростей обезуг­ лероживания). Исследователи, которые при изучении этого же про­ цесса вводили различные раскислители (в том числе и алюминий) в кипящий металл или металл, расплавленный в индукционной печи и интенсивно перемешиваемый под действием магнитносило­ вого поля, не могли заметить существенной разницы в скорости удаления различных включений, так как она в действительности отсутствует. Это объясняется тем, что при большой интенсивности

134

перемешивания все оксиды удаляются практически при одинаковой скорости (см. рис. 61, область высоких скоростей обезуглерожи­ вания) .

Теперь можно дополнить объяснение причин, по которым в про­ цессе доводки (см. рис. 58), несмотря на интенсивный ввод приса­ дочных материалов по ходу плавки 3, содержание неметаллических включений оставалось практически неизменным (сравните измене­ ние содержания неметаллических включений на рис. 58 и на рис. 56, 57). По-видимому, практически неизменное содержание не­ металлических включений в стали на плавке 3 (см. рис. 58) объяс­ няется чрезмерно большой скоростью обезуглероживания (на дан­ ной плавке скорость обезуглероживания почти в пять раз больше, чем на сравниваемых плавках). В результате этого скорость удале­ ния неметаллических включений из ванны была настолько большой (см. рис. 58), что накопления неметаллических включений в ванне не происходило даже в короткие промежутки времени при вводе присадок.

В работах [179, 180] указывалось, что для уменьшения песочин в стали целесообразно увеличивать количество вводимого в сталь алюминия. Было показано, что на образование песочин сильно влияет состав неметаллических включений, причем наилучшие по­

Взаключение можно привести результаты интересных лабора­ торных исследований, четко подтверждающих действие сил меж­ фазного взаимодействия на процесс седиментации (осаждения) ча­ стиц в жидкости [170, 171].

Впрямоугольном сосуде из органического стекла высотой 1,1 м

исечением 120X70 мм измеряли с точностью 10_3 с продолжи­

тельность падения стальных шариков диаметром от 2 до 7 мм в глицерине и других жидкостях. Поверхность шариков покрывали на специальной установке в вакууме пленками Ni, Cr, W, Си и А1, изменение массы шариков за счет покрытий не превышало 0,08 %, шероховатость покрытий контролировалась и была одинакова для всех вариантов покрытия стальных шариков.

Ниже приводятся данные, полученные при экспериментах в гли­ церине. Результаты опытов с другими жидкостями и замеченные особенности аналогичны обнаруженным при работе с глицерином.

Результаты измерений показали, что при прочих равных усло­ виях продолжительность падения частиц в глицерине зависит от со­ става покрытия, увеличиваясь в следующей последовательности Ni, Cr, W, Fe *, Си, Al. Влияние поверхности на скорость падения усиливается с уменьшением диаметра шариков. Эти закономерно­ сти подтверждаются данными табл. 17, в которой продолжитель­ ность падения отдельных шариков оценена в сравнении с продол­

* Поверхность стального шарика не имеет специального покрытия.

135

продолжительность падения шариков с никелевыми покрытиями наименьшая.

Как видно из табл. 17, эти разности возрастают с одинаковой последовательностью по мере перехода от пар с покрытиями из ни­ келя и хрома к парам с покрытиями из никеля и алюминия.

С увеличением диаметра шарика влияние материала покрытия понижается, в связи с этим разность в продолжительности падения всех пар шариков уменьшается, достигая при некоторых их разме­

возрастает от Ni к А1 в такой же последовательности, с какой уве­ личивается продолжительность падения шариков в жидкости в за­ висимости от материала их покрытия.

Таким образом, экспериментальным путем четко установлено влияние межфазного взаимодействия на границе раздела твердое тело—жидкость на скорость движения шариков. При прочих рав­ ных условиях скорость падения частиц зависит от их адгезии к жид-

136

кости. Скорость седиментации частиц возрастает, а адгезия умень­ шается при изменении материала поверхности в последовательно­ сти Al, Си, Fe, W, Сг, №.

Результаты указанных лабораторных исследований находятся в хорошем согласии с закономерностями, представленными на рис. 61, особенно, если учесть, что размер включений в металле на несколько порядков меньше размера опытных стальных шариков, т. е. силы межфазного взаимодействия включение—металл в сталь­ ной ванне проявляют себя и влияют на движение микронных час­ тиц неметаллических включений еще в большей степени, чем это было зафиксировано в лабораторных экспериментах [170, 171].

ГЛАВА 6

ДЕГАЗАЦИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ВАННЫ

Водород является одной из главных причин образования флокенов и вследствие этого пониженных механических свойств ме­ талла.

Сложная технология антифлокенной термической обработки ме­ талла при 600—680° С вызвана необходимостью создания благопри­ ятных условий для снижения содержания водорода в изделиях больших сечений, а также для повышения механических свойств стали после горячей пластической деформации. Однако при высо­ ком содержании водорода в жидкой стали даже очень длительная

слишком трудная, чтобы не учитывать любой фактор технологиче­ ского процесса, способный в какой-то мере повлиять на газонасыщенность металла [182]. Тем более, что известны факты, когда даже после удаления водорода из металла в процессе нагрева под ковку и при термической обработке остаются последствия присут­ ствовавшего ранее водорода: металл имеет пониженные механиче­ ские свойства Е

Низкое содержание водорода в стали на выпуске повышает ее качество и значительно снижает стоимость ее передела в прокат­ ных и кузнечных цехах.

Задачей настоящего исследования явилось изучение поведения водорода в процессе выплавки стали в зависимости от теплотехни­ ческих и технологических параметров плавки и, в частности, дина­ мики процесса дегазации.

' Т е р е щ е н к о В. Т. Влияние некоторых параметров плавки в основной мартеновской печи на содержание водорода в стали. Автореф. канд. дис. М., 1968.

137