книги из ГПНТБ / Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии

вертерах, интенсивность перемешивания и направлен­ ности потоков расплава в ванне мартеновской печи, ско­ рость окисления углерода на ошлакованной и неошлако­ ванной поверхности огнеупоров и т. д.

Изучение скоростей плавления лома и образования шлака

Для расчета скоростей плавления лома и формиро­ вания шлака необходимо определить сначала массу жидких расплавов. По изменению этой массы с течением времени определяют скорости растворения твердых ве­ ществ в жидкости (например, стального лома в железо­ углеродистом расплаве или извести и других добавок в шлаке). Массу жидких металла и шлака определяют потак называемому методу изотопного разбавления (или разведения). Сущность метода в следующем. Предполо­ жим, в тесный сосуд налита вода, а сверху—бензин. Можно отдельно брать пробы воды и бензина для хими­ ческого анализа. Для определения массы воды в сосуде введем в нее навеску поваренной соли весом а. Счи­ таем, что соль в бензине не расторяется. По пробе воды определим концентрацию соли Тогда

а

Сі~ Л^’

где M¡ — неизвестная масса воды..

и т. д.), то очевидно, чем больше воды, тем меньше кон­ центрация (í?2, сз> и т. д.) соли. Используя предыду­ щие уравнения, можно записать:

30

концентрации соли (например, с3) в любой момент вре­ мени можно вычислить соответствующую массу раство­ ра (например, М3). Из последнего уравнения

М3=^-ЛГ1. (1)

Точно таким же образом, если добавить в верхний слой бензина некоторое количество скипидара (в воде не растворяется), то по концентрации его в пробе можно определить массу бензина.

Аналогично определяют массу жидкого металла в. ванне мартеновской печи или конвертера. Для этой цели применяют изотопы не окисляющихся и не переходящих

вшлак элементов — кобальт-60, рутений-103, золото-198-

идр. При проведении опытов один из этих индикаторов,

вампуле из сравнительно легкоплавкого материала (чу­ гун, латунь, медь и т. п.) помещают на дно чугуновозного ковша перед его наполнением. Изотоп сначала растворяется в первых порциях чугуна, а затем под дей­ ствием падающей с большой высоты струи равномерно распределяется в объеме металла. Чугун с изотопом .за­ ливают в ванну сталеплавильного агрегата. Пробы ме­ талла для определения радиоактивности отбирают из ковша и из ванны 6 течение всего периода плавления.

При одном и том же количестве радиоиндикатора в ковше и в ванне концентрация изотопа в пробах из ван­ ны печи Л меньше концентрации проб из ковша /0 во столько раз, во сколько в ванне металла (QJ больше,

чем в ковше (Qo)- Тогда для массы металла в ваннесталеплавильного агрегата можно записать:

(2)-

31.

При определении массы шлака в ванне агрегата по методу.изотопного разбавления используют изотоп эле­ мента, который в условиях окислительной плавки нахо­ дится в шлаке и не переходит в металл или газ. Среди таких изотопов можно назвать кальций-45, стронций-89, лантан-140 в соединениях с кислородом, барий-131 в ви­ де карбоната. В этом случае проводят специальный эталонный опыт, когда вводят в печь известное количе­ ство изотопа и определяют массу жидкого шлака и кон­ центрацию в нем изотопа. Чем больше масса шлака в ванне, тем меньше в нем концентрация изотопа. Массу шлака в любой момент времени можно рассчитать по формуле, аналогичной формуле (2).

При определении массы шлака иногда требуется зна­ чительное время (до 45 мин) для равномерного распреде­ ления изотопа в объеме шлака. Для ускорения определе­ ния массы шлака на заводе «Азовсталь» предложили ис­ пользовать изотоп фосфора-32, который распределяется между металлом и шлаком. Как и в предыдущем случае, нужен эталонный опыт, в котором определяется масса шлака взвешиванием на весах, количество изотопа и его концентрация в пробах шлака. В формулу для расчета массы шлака входят следующие величины: концентра­ ции радиоактивного фосфора в шлаке и обычного фосфо­ ра в металле и шлаке, количество изотопа в опыте, мас­ са металла в ванне (обычно меняется мало от плавки к плавке).

Кроме метода изотопного разведения для определе­ ния скоростей выработки сыпучих материалов (руды, известняка или извести) и плавления лома используют метод радиоактивных вставок. Сущность его в том, что ампулы с изотопом закладывают в слои материалов или в куски стального лома. По времени появления радио­ активности в пробах металла или шлака судят о раеоплавлении шихты.

32

Плавление лома в кислородных конвертерах и марте­ новских печах

Время плавления лома в различных сталеплавиль­ ных агрегатах составляет значительную долю продолжи­ тельности всей плавки (до 40—60% общей продолжи­ тельности). До появления метода радиоиндикаторов в литературе отсутствовали какие-либо эксперименталь­ ные данные по вопросу плавления металлошихты. В про­ изводственных условиях момент окончания металлоших­ ты определяли весьма условно, например, в мартенов­ ской печи по прекращению известкового кипения.

Первые работы в мировой науке по изучению плавле­ ния лома в мартеновских печах выполнены под руко­ водством А. И. Осипова и Л. А. Шварцмана на заводах «Азовсталь» и Донецком металлургическом. В дальней­ шем опыты по определению скорости плавления лома, проводили в мартеновских печах емкостью от 140 до 900 т, а также в кислородных конвертерах емкостью 100 т.

В опытах, проводившихся в промышленных агрега­ тах, изменение массы жидкого металла в любой, момент времени определяли по уменьшению концентрации изото­ па в пробах. В качестве примера на рис. 6 для одной из плавок, проведенной с изотопом кобальта-60 в 140-т печи Донецкого ме­ таллургического за­ вода, показан ха­ рактер уменьшения интенсивности излу­ чения проб (а) и

чения проб (а) и массы расплавившего­

ся скрапа (б) от времени

1

Разработаны математические выражения, описываю­ щие процессы плавления лома. Все авторы единодушны во мнении, что скорость процесса прямо пропорциональ­ на поверхности раздела твердого лома и жидкого метал­ ла. В методах определения этой поверхности имеются некоторые расхождения у разных авторов. В последних работах доказано, что в процессе участвует только та часть поверхности лома, которая обращена к зеркалу ванны.

Наиболее ценные результаты опытов заключаются в следующем. Лом в мартеновской печи имеет температуру плавления выше температуры жидкого металлическо­ го расплава. В этих условиях происходит не плавление, а растворение лома. Углерод из расплава науглерожива­ ет поверхность твердых кусков лома, в результате чего температура плавления их снижается и они оплавляют­ ся. Возможен процесс непосредственного перехода ато­ мов железа за счет диффузии из твердого в жидкий металл. Роль этого процесса с повышением температу­ ры возрастает. В кислородном конвертере в первой поло­ вине продувки плавки лом плавится по тому же механиз­ му, что и в мартеновской печи. Анализ нагрева металла во время продувки показывает, что во второй половине периода плавления температура жидкого расплава под­ нимается выше температуры плавления лома и скорость его плавления увеличивается в 2—6 раз.

Скорость плавления лома в мартеновских печах мак­ симальна в период заливки чугуна, затем она заметно снижается. Так, например, для 370-т мартеновской печи средняя скорость плавления в периоды заливки чугуна, начала, середины и конца периода плавления шихты составляет соответственно 119, 95, 73 и 41 т/ч. В тех же условиях линейные скорости плавления составляют со­ ответственно 155, 125, 97 и 54 мм/ч. В 100-т кислородном конвертере средняя скорость плавления в первой полови­ не продувки1—54 т/ч, или 575 мм/ч, а во второй полови­

34

не — 90 т/ч, или 1000 мм/ч. Из приведенных цифр видно, что линейные скорости плавления лома в кислородном конвертере значительно больше, чем в мартеновской печи.

Обнаружено влияние ряда технологических факторов на скорость процесса плавления лома. В мартеновских печах скорость процесса растет при сокращении периода заливки чугуна, увеличении скорости окисления углеро­ да и тепловой нагрузки и т. д. Интересные данные по влиянию интенсивности продувки ванны кислородом на скорость плавления лома получены в работе М. Я. Меджибожского с соавторами. В мартеновской печи средняя

Плавление лома в 120-т кислородном конвертере ме­ тодом радиоактивных вставок изучили на Ждановском заводе им. Ильича. Закономерности кинетики плавления лома в виде сплошных массивных заготовок имеют зна­ чение для определения максимальной предельной тол­ щины стальной шихты, проплавляемой за время продув­ ки. В стальной болванке диаметром 160—190 мм и дли­ ной 250—400 мм высверливали отверстие, в которое за­ делывали изотоп фосфора-32 или стронция-89. По вре­ мени между моментами ввода болванки в конвертер и моментом появления радиоактивности в шлаке опреде­ ляли скорость плавления. Получили, что средняя ско­ рость плавления такой болванки составляет около

330 мм/ч.

Результаты изучения скорости плавления лома в кис­ лородных конвертерах и мартеновских печах используют­ ся прй разработке мероприятий по сокращению продол­ жительности плавок металла. Сокращение периода плав­ ки позволяет увеличить число плавок, в результате чего только за один год и только по одному Кузнец­

кому металлургическому комбинату было получено дополнительно стали на сумму 2,3 млн. руб., а экономия по переделу составила 470 тыс. руб.

Скорость формирования шлака

При определении скорости шлакообразования, как и при изучении процессов плавления лома, применяют методы изотопного разбавления и радиоактивных вставок.

Изотоп кальция-45 (стронцня-89 и т. д.) вводят в

ванну мартеновской печи или конвертера и по измене­ нию концентрации изотопа в пробах определяют измене­ ние массы шлака и скорость шлакообразования. Кривая изменения радиоактивности шлака с течением времени подобна кривой радиоактивности проб металла при изу­ чении плавления лома в мартеновской печи (см. рис. 6). Было найдено, что в основных мартеновских печах и кислородных конвертерах скорость шлакообразования определяется скоростью растворения извести в расплаве окислов железа, кремния и марганца. Между скоростями плавления лома и шлакообразования существует прямо’ пропорциональная зависимость: все факторы, ускоряю­ щие плавление лома (см. выше), приводят к ускорению процессов формирования шлака. Последнее объясняется, очевидно, тем, что скорость верх процессов в ванне опре­ деляется тепловой мощностью печи или скоростью нагре­ ва ванны.

Следует отдельно отметить опыт, который с помощью изотопа кальция-45 для 350-Т мартеновских печей завода «Азовсталь» доказал, что применение извести или из­ вестняка в .завалку практически не изменяет скорости шлакообразования. Перевод цеха на работу с использо­ ванием дешевого известняка в завалку вместо более дорогой извести дал значительный экономический эф­ фект (более 6 руб. на тонну материала).

36

Интересны результаты изучения процесса шлакооб-- разования в 120-т кислородном конвертере Ждановского завода им. Ильича. Это исследование проводилось в пе­ риод освоения конвертеров. С помощью изотопа строн- ция-89 нашли, что количество жидкого шлака в конвер­ тере в середине про­ дувки примерно в одной трети плавок не увеличивается, а значительно умень­ шается, затем сно­ ва увеличивается (рис. 7), что объяс­ няется (при интен­

окислы металла шлака. При этом состав шлака меняется настолько, что

повышается его температура плавления и выпадает твердый шлак (шлак «сворачивается»). Для устранения такого нежелательного явления изменили режим ввода извести в конвертер.

Подробно была изучена скорость образования шлака методом радиоактивных вставок. Изотопы элементов (кальций-45, стронций-89, кобальт-60, фосфор-32 и т. д.) вводили в различные точки сыпучих материалов (руда, известняк) завалки мартеновской печи. По появлению соответствующего изотопа в пробах шлака или металла определяли время выработки или перехода в расплавлен­ ные металл и шлак слоя шихты. Такие исследования про­ водили на заводе «Азовсталь», а затем на Магнитогор­ ском металлургическом комбинате, Макеевском метал­ лургическом и на других заводах. Были найдены наибог лее рациональные способы завалки руды и известняка

37

в печь, способствовавшие сокращению общей продолжи­ тельности плавки.

Так, на заводе «Азовсталь» продолжительность плав­ ки сократили на 8—10 мин. Производительность марте­ новского цеха повысилась на 0,8%. Увеличение объема производства привело к снижению себестоимости допол­ нительно выплавленной стали на 5,7%, что сократило текущие расходы на 236 тыс. руб.

Там же исследовали качество стали в зависимости от количества шлака в период чистого кипения. Исследо­ вания показали, что если в этот период количество шла­ ка в печи не меньше, чем 15—20 т, то качество металла повышается.

Только за счет разницы цен на рельсы первого и вто­ рого сортов за один год завод получил прибыль при реа­ лизации продукции в 90 тыс. руб.

ФОРМИРОВАНИЕ И КАЧЕСТВО СЛИТКОВ СТАЛИ

Рост выплавки металла в нашей стране связан, как правило, с требованиями повышения пропускной способ­ ности разливочных пролетов сталеплавильных цехов. В существующих цехах этот вопрос нередко решается за счет увеличения массы отливаемых слитков. Переход к получению слитков повышенной массы неизменно требу­ ет решения ряда вопросов по улучшению их конфигура­ ции, внутреннего строения и качества. С помощью мето­ да радиоактивных индикаторов изучаются многие вопро­ сы формирования слитка — скорость кристаллизации металла, движение расплава в жидкой сердцевине за­ твердевающего слитка, распределение неметаллических включений, превращение поверхностных дефектов слит­ ка в дефекты проката и т. д.

38

Скорость кристаллизации металла

До появления метода радиоактивных индикаторов скорость кристаллизации слитка изучали разными мето­ дами, например, выливанием металла из жидкой сердце­ вины, с помощью термопар, установленных в различных точках слитка. Эти методы трудоемки и не всегда дают точные результаты.

Метод радиоактивных индикаторов для изучения кри­ сталлизации слитка впервые применен в Советском Со­ юзе. Методика исследования заключается в следующем. Через некоторое время после заполнения изложницы сталью в нее вводят на стальном прутке ампулы с радио­ активным изотопом. Радиоизотоп сравнительно быстро распространяется в объеме жидкого металла, но наруж­ ная корка слитка затвердевает без изотопа. Через 5—15 мин после ввода первой ампулы в слиток вводят вторую ампулу с индикатором и т. д. В результате в слитке образуется несколько зон с различной концентра­ цией изотопа. Из слитка вырезают плиты, которые поме­ щают на рентгеновскую пленку для радиографии. По толщине корки металла на радиограмме, затвердевшей за время от начала кристаллизации до момента ввода очередной дозы изотопа в слиток, можно определить за­ кономерности затвердевания слитка. Наиболее часто скорость кристаллизации стали в изложнице описывают формулой ' _

x = kV¿,

где X — толщина затвердевшего слоя; /г — эмпирический коэффициент; t — время от начала разливки.

Значения коэффициента k определяли для слитков массой от 0,5 до 23,0 т. По данным исследований, прово­ дившихся работниками разных заводов и институтов, ве­ личина /г растет с увеличением массы слитка от 2,24 до 3,03 см-мин-0'5. Найдены закономерности уменьшения

39