Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы получения и обработки материалов. Теория и расчеты металлургических процессов и систем. Учебное пособие
.pdf
7. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ИЗОТЕРМЫ
РАСКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА
7.1. Теоретическое введение
Раскисление стали является заключительной операцией при обработке жидкой стали перед разливкой и существенно влияет на свойства готового металла. Целью раскисления является снижение концентрации растворенного в металле кислорода, что достигается введением в расплав элементов-раскислителей, обладающих большим
сродством к кислороду, чем железо, что обеспечивает связывание
растворенного кислорода в
ние условий для возможно более полного их удаления из металла.
В сталеплавильном производстве в качестве элементов-раскислителей
используют углерод, марганец, кремний, алюминий, а также кальций,
магний, церий, лантан и др. элементы. Раскислители вносят в металл в
определенных количествах и последовательности. С целью образования в
металле
легкоплавких и хорошо всплывающих с переходом в шлак продуктов раскисления применяют комплексные раскислители: силикомарганец, силикокальций, сплав АМС (Al–Mn–Si) и др. Раскисление металлического расплава можно производить обработкой вне печи шлаком, не
содержащим оксидов железа, обработкой в вакууме.
Для жидкого металл, содержащего растворенный кислород, реакцию раскисления при введении в расплав
можно представить в виде:
где |R| – элемент-раскилитель;
|O| – кислород, растворенный в металлическом расплаве;
) – продукт раскисления.
(R
mOn
достаточно прочные соединения и созда-
элемента-раскислителя
1
(R O ) R O
mn
nn
m
, (7.1)
При выражении концентраций элементов в массовых долях константа равновесия K
, аR, a
где а
О
(RmOn)
реакции примет вид:
р
//
mn mn
aa f f
OR OR
K
, (7.2)
p
nn
1/ 1/
aa
RO
() (RO)
|O| |R|
mn mn
mn
/
– соответственно активности растворенного кисло-
рода, элемента раскилителя, оксида – продукта раскисления;
f
, fR – коэффициенты активности.
О
61
Из уравнения (7.2) выразим концентрацию кислорода в металле
f
f
lg | O | lg lg | R | lg lg lg
mm
Kaff
p
nn n
1
RO O R
mn
. (7.3)
Для системы Fe–O–R можно записать:
где
OOO
RRR
O
R
e
e
,
,
O
O
OR
ff
OR
ff
O
e
e
,
R
lg lg lg | O | | R |ff fe e
;
OO OO O
lg lg lg | O | | R |ff fe e
;
RR RR R
R
– термодинамические (массовые) параметры
R
ORO R
ORO R
; (7.4)
, (7.5)
взаимодействия кислорода и элемента-раскислителя.
При раскислении стали обычно |O|<<|R|, поэтому членами
O
|O|e
и
можно пренебречь.
R
Уравнение (7.3) с учетом (7.4) и (7.5) в этом случае примет вид
O
|O|e
O
lg | O | lg lg | R | lg | R |
mm
Kaee
p
nn n
1
RO O R
mn
RR
. (7.6)
Найдем экстремум функции ln|O| = φ(|R|).
ln | O |
|R| |R|
mm
nn
RR
2,3 0
ee
OR
. (7.7)
Поскольку вторая производная
2
ln | O |
22
|R| |R|
m
0
, (7.8)
n
функция имеет минимум. Концентрацию раскислителя, соответствующую
минимальной концентрации кислорода, назовем оптимальной – |R|
опт
.
Ее значение можно рассчитать из уравнения (7.7):
|R|
опт
2,3
m
m
RR
ne e
OR
n
. (7.9)
Для нахождения минимального значения концентрации кислорода
следует определить |R|
для данного типа раскислителя и получен-
опт
ную величину подставить в уравнение (7.6).
В табл. 7.1 представлены реакции раскисления жидкого железа и
температурные функции констант равновесия. Значения параметров
62
взаимодействия при Т = 1873 К для жидкого железа, температурные
функции некоторых из них представлены в прил. 2 и 3.
Таблица 7.1
Реакции раскисления жидкого железа
R
1
(R O ) R O
nn
m
mn
С CO = |C| + |O|
Mn (MnO) = |Mn| + |O|
Si 1/2(SiO2) = 1/2|Si| + |O|
Al 1/3(Al2O3) = 2/3|Al| + |O|
Ti 1/2(TiO2) = 1/2|Ti| + |O|
Cr 1/3(Cr2O3) = 2/3|Cr| + |O|
B 1/3(B2O3) = 2/3|B| + |O|
La 1/3(La2O3) = 2/3|La| + |O|
Y 1/3(Y2O3) = 2/3|Y| + |O|
Ce 1/3(Ce2O3) = 2/3|Ce| + |O|
Zr 1/2(ZrO2) = 1/2|Zr| + |O|
Hf 1/2(HfO2) = 1/2|Hf| + |O|
Th 1/2(ThO2) = 1/2|Th| + |O|
lg 2, 003KT
lg 6,780KT
lg 5, 735KT
lg 6,862KT
lg 6, 046KT
lg 6, 211KT
lg 5, 205KT
lg 7,047KT
lg 7,137KT
lg 7,712KT
lg 6,099KT
lg 6, 051KT
lg 6, 203KT
= φ(T)
lgK
p
1160
p
15 200
p
15 238
p
21 263
p
17 050
p
14 380
p
14 688
p
23 423
p
24 087
p
25 013
p
20 305
p
20 305
p
22 630
p
7.2. Примеры решений задач
Задача
Рассчитать и построить в координатах lg|O|–lg|R| изотерму раскисления жидкого железа углеродом. Определить оптимальную кон-
63
цетрацию углерода |C|
|O|
|O|
и минимальную концентрацию кислорода в
опт
металле.
Рассчитать и построить кривую зависимости в координатах lga
Исходные данные задачи: Т = 1873 К, р
СО
= 1.
|O|
Решение
1. Рассчитаем константу равновесия реакции раскисления жидко-
го железа углеродом (см. табл. 7.1)
– lg|R|.
CO = |C| + |O|
2. Определим |C|
|C| 2,44 %
опт
2,3 1 ee
3. Для определения |О|
ные значения lgK
lg | O | 2,622 lg 2, 44 2, 44( 0, 421 0, 243) 2,574
min
и |C|
p
lg 2,003 2,622KT
(уравнение (7.8).
опт
11
СС
O С
min
опт
|O| 2,7 10 %.
min
1160
p
2,3 1 0, 421 0, 243
в уравнение (7.6) подставляем найден-
3
.
.
;
Для построения изотермы раскисления жидкого железа углеродом
задаемся пятью значениями концентрации углерода в металле, %:
1,00; 1,70; 2,44; 3,30; 4,00. Рассчитанные для этих концентраций углерода соответствующие значения |O|, а
, fO и их логарифмы сведе-
|O|
ны в табл. 7.2.
На основе полученных результатов расчета на графике строим
кривые lg|O|–φ(lg|R|) и lga
№ п/п |C|, % |O|, % lg|O| f
1 1,00 3,6·10–3–2,443 0,3788 –0,4216 1,36·10–3 –2,8653
2 1,70 2,8·10–3–2,553 0,4922 –0,7162 5,38·10–4 –3,2692
3 2,44 2,7·10–3 –2,569 0,0938 –1,0277 2,52·10–4 –3,5970
4 3,30 2,8·10–3–2,553 0,0407 –1,3898 1,1·10–4 –3,9428
5 4,00 3,0·10–3–2,523 0,0207 –1,6845 6,2·10–4 –4,2075
–f(lg|R|) (см. рис. 7.1).
|O|
Результаты расчета
lgfO а
O
Таблица 7.2
lgа
64
lg|С|
glg
-2
0 0,2 0,4 0,6 0,8
-2,443
-2,5
-2,8653
-3
lg|O|
-3,5
-4
l
-2,553
-2,569
-2,553
-2,523
a
-3,2692
-3,597
-3,9428
-4,2075
-2
-2,5
-3
lga|O|
-3,5
-4
-4,5
Рис. 7.1. Результаты расчета
-4,5
7.3. Задачи для самостоятельного решения
Задача
Рассчитать и построить в координатах lg|O|–lg|R| изотерму раскисления жидкого железа для заданных элементов-раскислителей и
температуры.
Оценить оптимальную концентрацию раскислителей |R|
нимальную концентрацию кислорода в металле.
Рассчитать и построить кривую зависимости активности кислорода от концентрации раскислителя в координатах lga
–lg|R|. Обе кри-
|O|
вые представить на одном рисунке.
Объяснить характер изменения концентрации и активности кислорода в зависимости от концентрации элемента-раскислителя.
Сравнить раскислительную способность различных элементов, зависимость от температуры. Варианты заданий приведены в табл. 7.3.
и ми-
опт
65
Таблица 7.3
Варианты заданий
№
Раскислитель Металл Т, К №
варианта
1 Al Fe 1873 11 Si, C Fe 1850
2 Al Fe 1973 12 Al, Ti Fe 1850
3 Si Fe 1873 13 La, Ce Fe 1850
4 Si Fe 1973 14 Zr, Hf Fe 1850
5 Mn Fe 1873 15 Mn, Si Fe 1850
6 Mn Fe 1973 16 Si, C Fe 1900
7 Ti Fe 1873 17 Al, Ti Fe 1900
8 Ti Fe 1973 18 La, Zr Fe 1900
9 Zr Fe 1873 19 Ce, Hf Fe 1900
10 Zr Fe 1973 20 Mn, C Fe 1900
варианта
Раскислитель Металл Т, К
Вопросы для самопроверки
1. Цели и методы раскисления стали, применяемые раскислители.
2. Какую сталь называют спокойной, кипящей, полуспокойной?
3. Осадочное (глубинное) и диффузионное раскисление.
4. Особенности комплексного раскисления.
5. Раскисление металла обработкой в вакууме.
6. Влияние продувки стали в ковше аргоном и ее влияние на рас-
кисление и дегазацию металла.
7. Продукты раскисления и их удаление из
8. Влияние неметаллических включений на свойства стали.
9. Характер зависимости концентрации и активности кислорода в
металле от содержания элемента-раскислителя.
10. Сравнение раскислительной способности элементов.
расплава.
66
8. ВОДОРОД В ЖЕЛЕЗЕ И ЕГО СПЛАВАХ
8.1. Теоретическое введение
Сталь, выплавленная в кислородном конвертере электродуговой
или мартеновской печах всегда содержит некоторое количество водорода и азота. Это объясняется тем, что в сталеплавильных агрегатах металл контактирует с газовой фазой, содержащей азот и водяные пары. Источником газов для металла могут быть шихтовые материалы, шлакообразующие и ферросплавы. Присутствие водорода и
азота в тысячных и десятитысячных долях процента оказывает заметное влияние на свойства стали. Если присутствие водорода в стали практически всегда является нежелательным, то присутствие азота в определенных концентрациях в некоторых сплавах полезно.
Водород растворяется в железе и его сплавах в атомарном (ионном)
состоянии и не вступает в
ком металле элементами. Растворимость водорода в различных модификациях железа различна. Скачкообразное изменение растворимости
водорода – при переходе из жидкого состояния в твердое, из одной
аллотропической модификации в другую, при понижении температуры – приводит к пересыщению водородом твердого раствора.
Если растворимость водорода в жидком железе и
жет достигать десятки ppm, то в твердом металле при комнатной
температуре она практически равна нулю. После затвердевания металла водород скапливается в пустотах и дефектных местах решетки.
Заполняя пустоты, атомы водорода соединяются в молекулы.
Последующая обработка металла давлением, термическая обработка приводят к возникновению в металле дополнительных напряжений и резкому повышению давления водорода в микропустотах,
что вызывает внутренние разрывы в металле, называемые флокенами. На поперечном направлению прокатки шлифе такой дефект классифицируется как «волосовины» и является браковочным признаком
для марочной стали.
Присутствие водорода снижает пластические свойства металла
(ψ, δ), а часто и ударную вязкость (а
ваемому водородной хрупкостью.
Присутствие водорода в стальных изделиях или конструкциях,
находящихся в эксплуатации во влажной среде, в частности, в морской воде нередко вызывает водородное растрескивание металла,
реакции с другими, находящимися в жид-
его сплавах мо-
), т.е. приводит к дефекту, назы-
к
67
когда вместе с ржавлением металла водород проникает к внутренним
t
,
γ
ж
поверхностям пор и трещин, что и приводит к постепенному растрескиванию металла.
Содержание водорода в твердом металле можно понизить термической обработкой, но это требует длительного времени и определенных затрат.
Изменение растворимости водорода в твердом железе с изменением температуры представлено
[H], %
на рис. 8.1.
0,003
0
002
Fe
δ-Fe
0,001
-Fe
α-Fe
500
Рис. 8.1. Растворимость водорода в твердом железе
Удаление водорода из жидкой стали в процессе ее выплавки и обработки является важной задачей металлургов.
Контроль за шихтовыми материалами, интенсивное проведение
окислительного рафинирования, использование на плавке хорошо
просушенных и прокаленных шлакообразующих и ферросплавов,
умелое соблюдение шлакового режима и, наконец, вакуумная обработка жидкой стали позволяют получить конечный продукт с содер
жанием водорода не более (1…2)·10
дефекты, связанные с присутствием водорода в стали.
900
1300
-4
%; (1…2) ppm и исключить
, ºC
-
8.2. Растворимость водорода в жидкой стали
Переход водорода из газовой фазы в жидкий металл описывает
уравнение реакции
68
p
1
HH
2(г )
2
, (8.1)
где |H| – равновесное содержание водорода в расплаве (раствори-
мость водорода), массовая доля, %.
K
Константа равновесия реакции
равна:
|H|
где
K
a
H
||
pp
– парциальное давление водорода в газовой фазе;
H
2
и a
f
|Н|
– соответственно коэффициент активности и активность
|Н|
f
|H|
1/ 2 1/2
HH
22
|H|
H
, (8.2)
водорода в расплаве.
Для идеального раствора водорода в жидком металле f
а
= |H|. Уравнение (8.2) запишется в виде
|H|
При
1p
растворимость водорода определяется величиной
H
2
|H| Kp
|H| H
. (8.3)
2
Н
константы равновесия, т.е.
|H| K
|H|
.
Для реакции растворения водорода в жидком железе примем сле-
дующую зависимость растворимости от температуры:
1900
Fe
lg | H | 1,577
. (8.4)
Т
Из данного уравнения следует, что растворимость водорода в
жидком железе при Т = 1873 К и р = 1 составляет 0,0026 %.
Для реакции растворения водорода в расплаве никеля аналогичная
зависимость имеет вид
= 1 и
924
Ni
lg | H | 1,88
. (8.5)
Т
Расчетная растворимость водорода в жидком никеле при 1773 К
составляет 0,0040 %.
Для легированных расплавов железа уравнение (8.2) имеет вид
69
f
f
lg | H | lg lg lg
1
Kpf
|H| H H
2
2
. (8.6)
Второе и третье слагаемое правой части уравнения учитывают
парциальное давление водорода над расплавом и состав расплава.
8.3. Примеры решения задач
Задача
1. Рассчитать растворимость водорода в жидкой стали состава: Fe –
основа; С = 1,0 %; Mn = 0,5 %; Si = 0,4 %; Cr = 2,5 %; Ni = 2,0 %,
S = 0,020 %;
2. Оценить равновесную концентрацию водорода в расплаве после
его обработки в вакууме при остаточном давлении в вакуумной камере р
= 5 мм рт. ст., Т = 1873 К.
ост
Решение
1. Расчет растворимости водорода в расплаве производим по
уравнению (8.6):
1p
H
2
, Т = 1873 К.
lg | H | lg lg lg
1
Kpf
|H| H H
2
2
Для определения коэффициента активности f
.
используем термоди-
H
намические параметры взаимодействия первого порядка (см. прил. 2).
n
lg | |
HH
ei
i
2
i
.
Коэффициент активности водорода для расплава заданного состава представляет произведение частных коэффициентов активности
водорода
CMnSiCrNiSH
ff f f f ff
HHH HHHHH
.
В результате логарифмирования этого выражения получаем уравнение для расчета f
lg lg lg lg lg lg lg lgfff fffff
HHH HHHHH
CMn Si Cr Ni SH
|C| |Mn| |Si| |Cr| |Ni| |S| |H|ee e e e ee
HH H H H HH
H
CMnSiCr NiSH
.
После подстановки в уравнение значений параметров взаимодействия и концентраций растворенных элементов получим
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]