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

Центральным вопросом процесса дегазации является взаимо­ связь между содержанием водорода в металле и скоростью обезуг­ лероживания.

В своих ранних работах [182] Явойский показал, что существует критическая скорость обезуглероживания ванны 1фр, выше которой

происходит дегазация, а ниже — поглощение водорода ванной. В дальнейшем появился ряд работ, как подтверждающих наличие такой закономерности [183—185], так и ставящих под сомнение ее существование [181], [186]. В работах [186, 187] отрицается нали­ чие такой скорости и вообще возможности дегазации металла при окислении углерода,, по крайней мере, в период безрудного кипе­ ния [187]. Некоторые исследователи [188] считают возможной де­ газацию ванны в период кипения, однако связывают это со знаком производной скорости обезуглероживания по времени.

Все перечисленные мнения основываются на очень большом фактическом материале, что подчеркивает большую сложность и не­ достаточную изученность процесса дегазации ванны.

По-нашему мнению, методика обработки экспериментальных данных была такова (например, в работах [181—188] рассматри­ вались зависимости абсолютных величин содержания водорода или изменения содержания водорода в металле от скорости обезуглеро­ живания), что не позволила исследователям придти к единому мнению. Это связано с тем, что абсолютные содержания водорода

ряда трудно контролируемых параметров плавки (температура ме­ талла, характер кипения ванны, параметры шлакового режима; со­ стояние ванны, предшествующее анализируемому периоду, и т. д.). Если к тому же учесть, что присадки в период доводки могут вы­ зывать мгновенные резкие увеличения содержания водорода в си­ стеме металл—шлак и нарушать естественный ход изменения со­ держания водорода в металле во времени, то очевидным становится несовершенство подобных методик определения критических скоро­ стей обезуглероживания ванн мартеновских печей.

КРИТЕРИИ ДЕГАЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВАННЫ

На основании изложенного, был предложен новый критерий для оценки дегазирующей способности ванны. Таким критерием яв­ ляется относительная скорость изменения содержания водорода в металле (оН2 [189].

Теоретическим обоснованием такого выбора может служить тот факт, что сама сущность процесса дегазации заключается в его динамике, поэтому критерием процесса может быть такой «дина­ мичный» параметр процесса, как относительная скорость измене­ ния содержания водорода в металле (отметим, что абсолютное со­ держание водорода в металле характеризует больше статику про­ цесса) .

138

Поскольку процесс дегазации при выплавке стали носит дина­ мичный характер независимо от емкости печи, вида отопления, ре­ жима ввода присадок и т. д., то в качестве критерия была выбрана относительная скорость изменения содержания водорода в ме­

талле (0 „ . Л2

t

При удалении водорода из ванны сон2 рассчитывается по фор­ муле

ровки, однако в момент отсутствия присадок. Кривые 3 %Ч=1525-Т -f-15350 С) и 4 (Ki= 1575-41585° С) соответствуют периоду полировки, когда дают присадки, и они активно усваиваются (буквами у точек обозначен вид присадки). Масса присадок следующая: окалины 3,0 т, боксита 2,4 т, руды 2,0 т и извести 7,0 т, жидкотекучесть шлака т)ш = 60ч-90 мм, толщина шлакового покрова /гш = 150 мм.

Таким образом, из рис. 62 очевидным становится качественное и количественное определение понятия критической скорости

139

обезуглероживания, т. е. скорости, при которой выполняется условие Это возможно при сбалансированном поступлении и

удалении водорода из ванны, в результате чего содержание водо­ рода в ванне остается неизменным. Абсолютное содержание водо­ рода в металле при этом определяется, по-видимому, условиями квазистационарности процесса циркуляции водорода между печной атмосферой и кипящей ванной [188]. В нашем случае абсолютное содержание водорода в металле для области выше оси 0 находи­ лось в пределах 2,0—7,0 см3/ 100 г, для области ниже оси 0 1,44—■ 4,40 см3/100 г,

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, ШЛАКОВОГО РЕЖИМА

И ОСОБЕННОСТЕЙ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА

Как видно из рис. 62, в период чистого кипения (кривая 1) дега­ зация ванны происходит уже при ос<=0,05% С/ч и увеличивается

сростом скорости обезуглероживания.

Ксожалению, отсутствуют экспериментальные значения a>Hj

для переходной области 0,0 < У с< 0,05% С/ч, когда процесс дегаза­ ции в очень большой мере начинает зависеть от термодинамических условий (парциальное давление водяных паров в атмосфере печи и температура металла). Но можно предположить, что при vc< <0,05% С/ч происходит резкое снижение дегазации ванны (см. рис. 62, пунктирная линия), так как при vc~0 (перед выпуском плавки металл раскислен) сон принимает отрицательные значения,

т. е. происходит поглощение водорода металлом (см. рис. 62, экс­ периментальные точки).

Менее интенсивная дегазация ванны в период полировки при отсутствии присадок (кривая 2) объясняется поверхностным кипе­ нием ванны, в результате чего лишь верхние слои металла подвер­ гаются очищающему воздействию со стороны всплывающих пу­ зырьков окиси углерода (сравни, например, с дегазацией в период

= 0,14% С/ч. Сходимость результатов вполне удовлетворительная, особенно, если учесть различие методик определения икр.

Анализ хода кривых 3 и 4 показывает важность учета и согла­ сования режима полировки с температурным режимом плавки и скоростью обезуглероживания. Как видно, с увеличением темпера­ туры ванны, при которой производится присадка, значение крити­ ческой скорости обезуглероживания возрастает от 0,10% С/ч при температуре ванны 1525—1535° С (кривая 3) до 0,45% С/ч при tu = 1575-М585° С (кривая 4).

140

Таким образом, с повышением температуры ванны увеличива­ ется значение критической скорости обезуглероживания, обеспечи­ вающее необходимую дегазацию ванны. Такое резкое увеличение значения критической скорости обезуглероживания с количествен­ ной точки зрения является вполне реальным, так как при повыше­ нии температуры жидкого металла на 50° С равновесное количество растворенного водорода в расплавленной ванне мартеновской печи

относительно абсолютного содержания водорода в ванне. Вследст­ вие этого для обеспечения необходимой дегазации ванны требуется увеличение скорости обезуглероживания более чем в четыре раза по сравнению со случаем холодной ванны (см. рис. 62).

В свете изложенного вывод некоторых исследователей [193] о том, что с увеличением скорости нагрева металла возрастает зна­ чение критической скорости обезуглероживания, обеспечивающее эффективную дегазацию, следует рассматривать как не отображаю­ щий механизма явления, так как поглощение водорода ванной за­ висит от абсолютной величины температуры металла [191, 192], а не от скорости его нагрева. Возможен, например, случай нагрева холодного металла с большой скоростью, но так как холодный ме­ талл в соответствии с термодинамическими закономерностями ха­ рактеризуется низким содержанием водорода, то режим дегазации будет успешно проходить при малых значениях критической ско­ рости обезуглероживания, а не при больших, как это можно было бы ожидать, руководствуясь воззрениями [193]. Таким образом, вывод о связи между критической скоростью, обезуглерожива­ ния и скоростью нагрева металла в процессе его дегазации объ­ ясняется, по всей вероятности, экспериментальными недоразуме­ ниями.

Наиболее вероятной представляется связь между значениями критической скорости обезуглероживания и абсолютной темпера­ турой металла (см. рис. 62).

Примечательно, что различные присадки (в указанных количе­ ствах) примерно одинаково влияют на процесс дегазации (см. рис. 62). Это можно объяснить, по-видимому, рядом обстоятельств. Боксит в количестве 2,4 т вносит в ванну столько же физической влаги, как 7 т извести, поскольку процентное содержание влаги в них равно соответственно 14—16% и 4—6%. Руда (2,0 т) содер­ жит меньше влаги, однако она сразу же контактирует с металлом (так как имеет большую плотность, чем известь и боксит) и от­ дает ему свою влагу, в то время как боксит и известь, находясь на поверхности шлака, отдают часть влаги факелу. Присадка ока­ лины (3,0 т) при гомогенном шлаке в основном усваивается на границе шлак—металл, вызывая интенсивное перемешивание шлака и металла подобно руде, и в большей мере отдает влагу в металл,

чем в рабочее пространство.

Закономерности, представленные на рис. 62, свидетельствуют о сложности и многофакторности процесса дегазации и указывают

141

на необходимость тщательного контроля таких режимов, как шла­ ковый и температурный, дачи присадок и кипения ванны. Отсутст­ вие подобного учета может явиться одной из первых причин раз­ личного воззрения исследователей на изучаемый процесс. Изложен­ ное позволяет сделать вывод, что нецелесообразно пользоваться таким критерием, как средняя за период доводки скорость измене­ ния содержания водорода в ванне, и пытаться найти четкую связь между этим критерием и средней за этот период скоростью обезуг­ лероживания, что было предпринято в исследованиях ряда уче­ ных1 [195].

Для практики сталеварения представляет интерес связь между содержанием водорода в металле и скоростью обезуглероживания

при повышении температуры металла на 40° С среднее значение со­ держания водорода в зависимости от Ус возрастает на 0,5— 1,8 см3/Ю0 г. Во-вторых, приращение А [Н] в связи с повышением

рис. 63 практически сливаются, т. е. в области высоких скоростей обезуглероживания содержание водорода в металле в основном определяется кинетикой процесса и характеризуется низкими зна­ чениями.

142

Отмеченная закономерность (см. рис. 63) указывает на возмож­ ность обеспечения низких содержаний водорода в металле при вы­ соких температурах и интенсивном окислении углерода.

Закономерности, представленные на рис. 63, объясняют, почему, несмотря на более высокотемпературный ход плавки 3 (см. рис. 58) по сравнению с плавкой 2 (см. рис. 57), содержание водорода в ме­ талле оставалось на низком уровне и изменялось в очень узких пределах. Это связано с тем, что на плавке 3 (см. рис. 58) в начале доводки металл имел очень высокую температуру (как на выпуске). Именно высокие температура и перегрев металла позволили дать в начале доводки присадки извести и окалины в большом количе­ стве, в результате чего быстро сформировался шлак и была обес­ печена высокая скорость обезуглероживания на протяжении всей доводки (почти в пять раз больше, чем на плавке 2). На плавке 2 (см. рис. 57) после дачи извести последняя плохо ассимилировалась в шлаке (очень слабое кипение ванны). Искусственное перемеши­ вание шлака при помощи мульды вызвало резкое увеличение содер­ жания водорода в стали, что объясняется активизацией перехода водорода из шлака в металл и слабой дегазирующей способностью

в ванне начало резко снижаться. Относительно низкая средняя ско­ рость обезуглероживания в период доводки обусловила повышен­ ное содержание водорода на плавке 2 (см. рис. 57).

Из анализа закономерностей, представленных на рис. 62 и 63 с учетом данных рис. 57 и 58, следует вывод о крайней необходимо­ сти согласования режимов нагрева и обезуглероживания ванны в период доводки плавки для обеспечения минимального содержа­ ния водорода в металле.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ДЕГАЗАЦИИ ВАННЫ

Критерий со^ позволяет математически проанализировать про­

цесс дегазации. Скорость изменения содержания водорода в ме­ талле в любой момент времени т можно записать [188]:

143

Наличие критической скорости обезуглероживания в данный мо­ мент времени определяется условием « Н2 =0.

В связи с этим уравнение (100) перепишем в виде

и определим из него содержание водорода в металле при данной критической скорости обезуглероживания v^P

т. е. относительно быстрого достижения динамического равновесия в отношении распределения водорода между печной атмосферой и кипящей ванной. Как видно из уравнения (102), квазистационарное

144

Минус перед дробью означает, что с увеличением у^р содержа­

ние водорода в металле уменьшается. В правой части равенства (107) под нс понимается у^р.

Уравнение (107) позволяет количественно оценить влияние ско­ рости обезуглероживания на <5 [Н]ст/ди«р, которая показывает, ка­

ким образом фактическое изменение содержания водорода в ме­ талле зависит от изменения скорости обезуглероживания. К сожа­ лению, в настоящее время ни практика, ни теория не могут дать еще точных абсолютных значений параметров ао, а, Ъ. Однако уже сейчас возможно решение уравнения (107) в относительных едини­ цах. Для этого Ус определяем как отношение реальной скорости к какой-то стандартной постоянной скорости. Например, реальная скорость равна 0,3% С/ч, стандартная 0,1% С/ч, тогда у£р, кото­

рая подставляется в уравнение (107), определяется отношением

0,3/0,1=3.

По нашим данным, система печная атмосфера—кипящая ванна 600-т печи приближается к термодинамическому равновесию по распределению водорода лишь на 25—30%. По другим данным1 [196], для печей той же емкости эта величина составляет 30—35%.

Таким образом, можно считать, приняв во внимание уравнение

Приняв во внимание данные Бигеева2 для 600-т печи об абсолют­ ных величинах скоростей поглощения водорода кипящей и спокой­ ной ванной в период доводки [соответственно 0,25—0,75 и 0,05— 0,10 м3/(м2 • ч) ] и систему уравнения (104), запишем

ний (104), (108) и (109) находим значения коэффициентов:

Яо=г>с/12,

а =5 У vcj!2.

Принимая во внимание систему уравнений (106) и (ПО), запи­ шем в конкретной форме уравнение (107):

На рис. 64 (кривая /) представлена графическая интерпрета­ ция уравнения (111) (зависимость близка к гиперболической).

Как видно из рис. 64 (кривая 1), наиболее существенное изме­ нение отношения д [Н]Ст/5икр происходит в области малых значений

о^р , в области больших ц£р это изменение не столь существенно.

Поскольку задачей всех исследователей процесса дегазации всегда являлся поиск зависимости д [H]CT/d vK(?= f(vc), то, по-на­

шему мнению, очевидным становится более вероятностное решение этой задачи в области низких скоростей процесса обезуглерожива­ ния [182] и большие затруднения при поиске этой зависимости в области высоких скоростей. По мнению Поволоцкого1, для марте­ новских печей существование критической скорости обезуглерожи­ вания возможно именно в области высоких значений скоростей.

Для более убедительного аргументирования изложенного поло­ жения запишем уравнение (111) в виде

Приняв для большегрузных печей, работающих на природном газе, при температуре ванны 1600° С [Н]р= 12 см3/100 г [значения остальных коэффициентов уравнения (113) заимствуются из урав­ нения (111)], определим значения А [Н]ст для разных значений и*р

(см. рис. 64, заштрихованные участки). На рис. 64 приведена систе­ матическая погрешность определения содержания водорода в ме­ талле 6 (см3/100 г) и суммарная погрешность (см3/100 г).

Если даже допустить, что погрешность б = ±0,25 см3/100 г (не достижимая в практике производственных исследований, так как по данным Терещенко 1 только приборная систематическая погреш­ ность составляет ±0,30 см3/100 г), то и тогда А [Н]ст может быть определена с допустимой точностью лишь при увеличении и£р от 1

ошибки измерений близки друг к другу, в качестве верхней границы

1 См. сноску 2 на стр. 145.

146

т. е. с вероятностью не менее 95%, мы можем утверждать, что ре­ зультаты измерений не будут отличаться от истинного значения больше, чем на 2 ^2, точно так же, как с вероятностью не менее 68%, мы можем утверждать, что результаты измерений не будут откло­ няться от истинного значения больше, чем на величину

в ванне мартеновской печи 2]i = ±0,50 см3/100 г (см. рис. 64) вы­ зывает еще большие затруднения при анализе экспериментального

+ р = 7-И0 изменение содержания водорода в металле А [Н]ст ста­

новится соизмеримым с погрешностью определения содержания водорода в стали, даже если 2 ]= б = ±0,25 см3/100 г.

Отметим, что степень приближения системы печная атмосфера— кипящая ванна к термодинамическому равновесию в отношении распределения водорода для указанной печи равна 16—22%, что хорошо согласуется с теоретическими положениями, представлен­ ными на рис. 64.

Именно тем фактом, что в области высоких скоростей обезугле­ роживания определяющей становится кинетика процесса, а не