Анализ современных металлургических технологий получения качественной стали. Лабораторный практикум

№ 3853 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ СТАЛИ

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2019

УДК 669.18.046.55 А64

Рецензент д-р физ-мат. наук, проф. А.Л. Петелин

Авторы:

Г.И. Котельников, С.В. Подкур, А.А. Толстолуцкий, А.Е. Семин

Анализ современных металлургических технологий А64 получения качественной стали : лаб. практикум / Г.И. Котель-

ников [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 44 с.

В лабораторном практикуме рассмотрены проблемы основных технологических процессов современных металлургических технологий получения качественной стали: глубокого окислительного и восстановительного рафинирования, вакуумнойобработки металла,эффективного раскисления и противодействия вторичному окислению.

Предназначен для студентов, обучающихся в бакалавриате и магистратуре по направлениям подготовки 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия».

УДК 669.18.046.55

Коллектив авторов, 2019

НИТУ «МИСиС», 2019

3

Введение

Развитие технологий производства металла опирается на фундаментальные закономерности протекания основных металлургических процессов. Несмотря на то что принципы процессов известны, растущие требования к металлургической продукции стимулируют поиск дополнительных возможностей для получения материалов с более высокой прочностью, долговечностью, надежностью, а соответственно и более высоким уровнем чистоты по примесям. Производство чистой стали является главным направлением развития металлургии и основным стимулом генерации новых металлургических технологий. За последние годы содержание вредных примесей в стали понизилось в 2–5 раз. Это характерно для серы, фосфора, кислорода, водорода и других примесей. Конкуренция технологий, обеспечивающих необходимый уровень качества стали, продолжается. При этом следует отметить, что новые технологии обычно не отрицают основных принципов «старых» технологических процессов, а эффективно развивают их.

В связи с этим обучение студентов-металлургов должно быть построено таким образом, чтобы они могли понимать сущность процессов рафинирования стали и развивать основные их идеи в своей будущей практической деятельности. Именно эту цель ставит перед собой данный практикум. В нем на примерах рассмотрены процессы глубокого окислительного и восстановительного рафинирования, обеспечивающего низкие и сверхнизкие содержания вредных примесей в стали и соответственно возможности получения стали высокого качества.

4

Лабораторная работа 1

Исследование процессов окисления и испарения железа в реакционной зоне при кислородной продувке

Цель работы. Изучение взаимодействия железа и кислорода в реакционной зоне при продувке металла кислородом.

1.1 Теоретическое введение

Кислород является важнейшим компонентом системы металл– шлак-газ, определяющим протекание практически всех реакций рафинирования металла от вредных примесей (фосфора, серы, азота, водорода и др.). Кроме этого, окислительный потенциал системы, характеризующийся парциальным давлением кислорода в газовой фазе pO2, контролирует распределение легирующих элементов между металлом и шлаком. В зоне, где встречается поток газообразного кислорода с жидким металлом, идет процесс окисления железа до

FeO:

Образующийся оксид железа диссоциирует в свою очередь согласно реакции

которая в данном случае протекает справа налево.

Отметим, что алгебраическое суммирование этих реакций соответствует реакции растворения кислорода в металле в двухфазной системе железо–газообразный кислород:

которая в общем случае имеет место до момента образования оксида железа.

5

Вреальных производственных процессах (кислородный конвертер, дуговая сталеплавильная печь) реализуется система, когда взаимодействуют три фазы (металл, содержащий растворенный кислород; шлак, содержащий FeO, и газ, в составе которого находится кислород).

Как видно из реакций (1.1) - (1.3), все они сопровождаются выделением тепла. В связи с этим на поверхности взаимодействия потока газообразного кислорода с жидким железом температура поднимается до очень высоких значений.

Влитературе существуют различные точки зрения о значении этой температуры. Одни считают, что температура в реакционной

зоне определяется температурой кипения железа 2861 ○С. Другие допускают, что эта температура ниже и не превышает температуру кипения оксида FeO - 2319 ○С. На работающем конвертере были проведены уникальные эксперименты с попыткой замера температуры реакционной зоны с помощью пирометра. Экспериментальные данные имели достаточно большой разброс, но все значения были выше 2000 ○С. Установлено, что процесс испарения (кипения) является весьма энергоемким. Известно, что температура кипения воды при атмосферном давлении остается неизменной, нагреть температуру воды выше температуры кипения (100 ○С), не меняя давления, невозможно. Очевидно и в рассматриваемом случае испарение FeO в реакционной зоне может быть таким же энергоемким процессом, который не позволяет подняться температуре выше точки кипения FeO -2319 ○С. В связи с этим температуру реакционной зоны в ходе исследования целесообразно изменять от 1600 до 2300 ○С.

Равновесное давление паров Fe и FeO определяется уравнениями

lgpFe = A/T + B = –18 292/T + 5,837; lgpFeО = С/T + D = –22 624/T + 8,73.

Приведенные данные могут быть использованы для имитационного моделирования растворимости кислорода в металле реакционной зоны. Отметим, что максимальная растворимость кислорода при 1600 ○С равна 0,23 %. Эта цифра может быть получена расчетным путем с использованием данных для реакции (1.2), если предположить, что пленка оксидов на поверхности реакционной зоны состоит только из FeO, т.е. если принять, что активность FeO равна единице. Тогда константа равновесия реакции (1.2) будет иметь вид

6

Активность железа - aFe - можно принять равной единице, если пренебречь наличием примесей других элементов в ванне. Тогда максимальная растворимость кислорода может быть определена из выражения

Зная [О]max при заданной температуре, можно найти отвечающую ей величину парциального давления кислорода в газовой фазе, соответствующего равновесию концентрации кислорода

в металле [О]max. Для этого можно воспользоваться выражением константы равновесия реакции (1.3):

кислорода в системе FeO–Oмет–O2 очень мала, она на порядок меньше, чем остаточное давление в печи при электронно-лучевой плавке (0,1·10-6...0,1·10-5 атм). Это означает, что при продувке металла

т.е. кислород газовой фазы должен полностью окислять железо и образовывать оксиды. В рассмотренном выше подходе учитывался только один оксид – FeO, хотя в принципе может образовываться и оксид Fe2O3. Если допустить, что образуются два типа оксидов, то становится очевидным возможность появления в реакционной зоне раствора FeO-Fe2O3. В этом случае решение поставленной задачи существенно усложняется. Решать ее удобно с помощью имитационной модели «ГИББС», в которой заложены возможности решения подобной задачи. Описание основ модели приводится в приложении А.

7

1.2 Порядок проведения работы

1  Ознакомиться с описанием системы имитационного моделирования «ГИББС».

2  Ввести в систему взаимодействующие вещества – Fe, O2. Масса каждого компонента выбирается студентом согласно варианту индивидуального задания (номер варианта соответствует номеру в списке журнала учета занятий).

3  Выполнить расчеты массы и состава металла, шлака и газовой фазы в интервале температур 1550...2300 ○С с шагом в

100...200 ○С.

4  После каждого шага сохранять и распечатывать результаты расчета, обращая особое внимания на значения pO2 max и [О]max.

5  Построить графики зависимостей: pO2 max, [О]max, (% FeO), (% Fe2O3)от температуры (1550...2300 ○C).

6  Сравнить pO2 max и [О]max при 1600 ○С и температуре, соответствующей реакционной зоне (до 2300 ○С). Отметим, что температуру реакционной зоны можно понижать, добавляя в газообразный кислород аргон и другие газы. Сделать вывод о механизме, обеспечивающим быструю передачу кислорода от реакционной зоны в объем металла. Это может быть, например, эмульгирование в ванне перегретого слоя металла реакционной зоны с повышенным содержанием кислорода. При анализе учесть известный эффект, заключающийся в том, что скорость обезуглероживания при кислородной продувке примерно в 5–10 раз выше, чем при использовании твердых окислителей (руда, агломерат и т.п.).

7  Проанализировать противоречивую задачу – какой выбирать окислитель для проведения окислительного периода плавки. При использовании газообразного кислорода будет ниже выход годного, но выше производительность за счет интенсификации процесса. Применение твердых окислителей обеспечивает более высокий выход годного, меньшее количество выбросов пыли в атмосферу, но производительность агрегата при этом снижается. В ходе анализа необходимо учесть изменение годового объема производства, а также соответственно и прибыли предприятия при выборе того или иного варианта проведения окислительного периода.

8  Построить график и проанализировать зависимость (% FeO), (% Fe2O3) от температуры (1550...2300 ○C). Сделать вывод о влиянии температуры на состав шлака, состоящего из (FeO), (Fe2O3).

8

9  Построить график зависимости массы железа и его оксидов в газовой фазе от температуры. Проанализировать зависимость выхода годного от температуры реакционной зоны и сделать вывод о рациональной температуре в этой зоне при кислородной продувке. Учесть, что температуру реакции зоны можно снижать за счет подачи в кислород аргона и других газов. Температура зоны может быть также снижена за счет того, что в кислородную струю вводят пылеобразный шлакообразующий материал.

1.3 Требования к оформлению отчета

Работа должна включать:

1)  краткое теоретическое описание рассматриваемого физического явления;

2)  полученные в результате проведения работы графические материалы;

3)  выводы о причинно-следственной связи полученных значений и их графических конфигураций.

1.4 Варианты заданий

9

Контрольные вопросы

1  Напишите реакцию перехода газообразного кислорода в жидкое железо при наличии двух фаз: металл-газ.

2  Напишите реакции перехода газообразного кислорода в жидкое железо при наличии трех фаз: металл-шлак-газ.

3  К какому типу реакций относятся реакции (1.1) - (1.3) – к эндотермическим или экзотермическим, и почему?

4  Что означает обозначение 1 % в Fe в уравнениях реакций (1.2) - (1.3) при концентрации кислорода?

5  Что означает верхний индекс при ∆G1ο , ∆G2°, ∆G3°? 6  Возможно ли перегреть металл выше 2319 ○С? Если

возможно, то как это сделать?

10