Анализ современных металлургических технологий получения качественной стали. Лабораторный практикум

Лабораторная работа 4

Влияние вторичного окисления на десульфурацию стали

Цель работы. Изучить влияние вторичного окисления на десульфурацию стали.

4.1 Теоретическое введение

Реакция десульфурации имеет вид

Видно, что более полной десульфурации способствует высокая активность СаО в шлаке и серы в металле, низкая окисленность системы aO, а также пониженная активность СаS в шлаке. Из уравнения (4.2) получим выражение для равновесного коэффициента

21

В выражении (4.5) первое слагаемое является при заданной температуре постоянной величиной, второе слагаемое определяется составом применяющегося шлака, а третье - составом металла: активностью в нем серы и кислорода.

При рафинировании жидкого железа можно принять fO = 1 и fS = 1. Тогда формула (4.4) приобретает вид

При экспериментальном изучении распределения серы между жидким железом и шлаками системы СаО–МgO–Аl2O3–SiO2 для коэффициента распределения LFe получено эмпирическое уравнение, имеющее ту же структуру, что и уравнение (4.6):

Если теми же шлаками рафинировать не железо, а сплав на его основе, то связь между коэффициентами распределения LFe и Lспл можно получить, записав выражения констант равновесия реакции отдельно для десульфурации железа и сплава:

Поскольку очевидно, что KFe = Kспл, то равны и правые части выражений (4.8) и (4.9):

Допустим, что aCaOFe = aCaOспл и γCaSFe = γCaSспл. Тогда, подставив формулу (4.3) в уравнение (4.10) и произведя необходимые

преобразования, получим

Учитывая, что fOFe ≈ 1 и fSFe ≈ 1, в результате логарифмирования выражения (4.11) получаем

22

Подставив в уравнение (4.12) выражение (4.7) и проведя необходимые преобразования, получим

По известным значениям LсплS , кратности шлака l, начальному содержанию серы в стали [S]н и шлаке (S)н можно определить равновесную конечную концентрацию серы в стали [S]. Для этого составим и решим систему уравнений

Lспл = (S ),

S [S] (4.14)

mм [S]н + mш (S )н = mм [S]+ mш (S ),

где mм и mш - массы металла и шлака.

Выражение (4.14) является уравнением материального баланса и составлено при условии, что сера перераспределяется между металлом и шлаком и не выделяется в газовую фазу. Если в ходе рафинирования величины mм и mш не изменяются, то получаем следующее решение системы уравнений (4.14):

н

4.2 Порядок проведения работы

1  Ознакомиться с описанием системы имитационного моделирования «ГИББС».

2  Задать в системе химический состав и массу металла согласно варианту индивидуального задания (номер варианта соответствует номеру в списке журнала учета занятий).

23

3  Варьируя массу поглощенного системой в процессе вторичного окисления кислорода, получить зависимости концентрации серы в металле и шлаке, а также степени десульфурации от количества поглощаемого при вторичном окислении кислорода, на основе полученных значений построить графики. Температуру принять равной 1600 ○С.

4  Проанализировать полученные расчетные данные, сделать выводы о степени влияния вторичного окисления на десульфурацию стали.

4.3 Требования к оформлению отчета

См. лабораторную работу 1, подпункт 1.3.

4.4 Варианты заданий

24

Контрольные вопросы

1  Напишите реакцию десульфурации металла.

2  Как влияет окисленность расплава на уровень десульфурации?

3  Как связана основность шлака и процесс десульфурации? 4  Каковы источники вторичного окисления стали? 5  Перечислите способы защиты от вторичного окисления.

25

Лабораторная работа 5

Рафинирование металла от водорода при вакуумировании нераскисленной стали

Цель работы. Изучить процесс выделения водорода при вакуумировании нераскисленной стали.

5.1 Теоретическое введение

При вакуумировании нераскисленной стали удаление водорода происходит более эффективно, чем при обработке раскисленного металла. Это обусловлено тем, что значительная часть водорода удаляется с пузырьками оксида углерода. При количественных расчетах в данной работе предполагают наличие равновесия между растворенным в стали водородом и его парциальным давлением в пузырьке оксида углерода:

При таком расчете пренебрегают процессом прямой десорбции водорода в газовую фазу с поверхности раздела металл–газ.

Если в процессе обезуглероживания образуются пузырьки СО объемом dV, в котором парциальное давление водорода равно

pH2, то концентрация водорода в металле уменьшается на d[H] (%). Приближенное уравнение материального баланса для этого случая имеет вид

где 22,4 - объем (м3) 1 кг-моля газа при нормальных условиях,

а произведение dVCO·pH2 - объем водорода в пузырьке dV; g – масса металла, т.

Таким образом, левая часть уравнения (5.2) соответствует количеству кг-молей водорода в газовой фазе, а правая часть характеризует количество водорода (кг-моль), выделившееся из жидкого металла. Применительно к углероду балансовое уравнение имеет вид

26

Примем, что pH2 << pСО и pСО = pост, где pост – остаточное давление в вакуумной камере (на выходе пузырька из металла).

Величина pH2 = [% H]2/K. Подставим выражение для pH2

в (5.4). Проинтегрируем полученное выражение в пределах от

в металле уменьшается при снижении остаточного давления в вакуумной камере и увеличении количества окисленного углерода

Δ[С] = [С]н - [С]к.

Выше приведена иллюстрация поведения водорода при «продувке» металла таким несущим газом, как оксид углерода. Следует отметить, что программа «ГИББС» позволяет моделировать процесс удаления водорода при подаче в ванну других несущих газов: аргона, азота и т.д.

5.2 Порядок проведения работы

1  Ознакомиться с описанием системы имитационного моделирования «ГИББС».

2  Задать моделируемую систему, состоящую из следующих химических элементов: Fe, O, Н, С. Масса расплава принимается равной 100 000 кг, основа раствора – Fe, исходная концентрация [H] принимается согласно номеру варианта, который соответствует номеру в списке журнала учета занятий. Исходная концентрация растворенного углерода – 0,05 %, масса вводимого молекулярного кислорода О2 равна 70 кг. Интервал варьирования давления в рабочем пространстве печи принять от 0,01 до 1 атм.

3  Построить зависимости концентрации растворенного водорода в расплаве [Н] от давления в вакуумной камере.

4  Все рассмотренные зависимости строить для двух температур: 1600 и 1700 ○С.

27

5.3 Требования к оформлению отчета

См. лабораторную работу 1, подпункт 1.3.

5.4 Варианты заданий

25,3

35,6

45,9

56,2

66,5

76,8

87,1

97,4

Контрольные вопросы

1  Напишите уравнение реакции перехода водорода из раствора в газовую фазу.

2  Напишите уравнение реакции окисления растворенного углерода кислородом, находящимся в растворе.

3  Почему водород переходит из раствора в пузырьки СО; что является движущей силой этого процесса?

4  Как зависит конечное содержание водорода в стали от количества окисленного углерода?

5  Как можно повысить полноту удаления водорода из металла, используя рассмотренный в данной работе механизм, не прибегая к понижению остаточного давления в вакуумной камере?

28

Лабораторная работа 6

Влияние температуры и добавки алюминия на окисленность металла при его конечном раскислении в ковше

Цель работы. Изучить зависимость содержания кислорода, растворенного в металле, от добавки сильных раскислителей на заключительной стадии внепечной обработки.

6.1 Теоретическое введение

Если металлическая и оксидная фазы находятся в равновесии, то для каждого из элементов, входящих в состав этих фаз, может быть записана реакция

Константа равновесия этой реакции определяется по формуле

В соответствии с выражениями (6.3) – (6.6) константы равновесия при температуре 1873 К имеют следующие значения:

KFe(1873 К) = 4,35, KMn(1873 К) = 21,64, KSi(1873 К) = 4380, KAl(1873 К) =

= 1,05 1014.

29

Решая уравнения типа (6.2) относительно мольной доли компонентов оксидной фазы x(MemOn ) , получаем следующую систему уравнений:

Входящие в уравнения (6.7) – (6.11) коэффициенты активности могут быть вычислены лишь после того, как будет найден равновесный состав металла и шлака. Поэтому задача решается методом итераций: вначале все коэффициенты активности ориентировочно принимаются равными единице, затем грубо оценивается состав фаз и находятся приближенные значения коэффициентов активности fi и γi, с их помощью уточняется состав и вычисляются коэффициенты активности. Этот цикл повторяется до тех пор, пока состав шлака не перестанет изменяться. По окончании итерационного расчета определяем состав оксидной фазы, %:

где i – оксиды, входящие в состав оксидной фазы – FeO, MnO, SiO2,Al2O3; M(i) – молекулярная масса соответствующего оксида.

Уравнения (6.1) – (6.12) в наглядной форме демонстрируют вычислительные процессы, протекающие при использовании программы «ГИББС».

30