4. Розкрийте сутність основних масообмін них процесів які відбуваються при вторинному окислені металу під час його розливання?

При разливке стали происходит соприкосновение жидкого метала с окружающей атмосферой, что вызывает массообменные процессы в зонах контакта. А именно переход компонентов воздуха из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации в жидком металле.

Интенсивность сложного физико-химического процесса складывается из двух главных процессов: подвода к реагирующей поверхности вещества и отвода от нее продуктов реакции. Эти процессы могут происходить в спокойном состоянии расплава металла или при его вынужденном движении вдоль поверхности твердой фазы или границы раздела жидких фаз, жидкой фазы – воздух.

Процесс перехода газа из газовой фазы в расплавленный металл – многостадийный. При поглощении сталью из воздуха кислорода, азота и водорода определяющим является адсорбционно-кинетическое звено. Оно включает массоперенос газа из его объема к поверхности металла, адсорбцию газовых молекул и диссоциацию их на атомы на поверхности жидкого металла с накоплением атомов газа в поверхностном слое металла. При этом количество поглощенного газа описывается законом квадратного корня Сивертса. Диффузное звено включает диффузию атомов газа в тонком слое жидкого металла и массоперенос их в объеме расплавленного металла с образованием растворов или химических соединений. Этот процесс определяется константой скорости массопереноса и разностью концентраций газа в поверхностном слое и в объеме металла. При наличии в стали элементов, имеющих повышенное сродство к кислороду и азоту, а также увеличивающих растворимость кислорода, количество поглощаемого газа за время взаимодействия с воздухом увеличивается.

В процессе разливки стали, особый интерес представляет изучение путей попадания кислорода в жидкий металл, содержание которого в металле может достигнуть 0,005-0,020% при разливке открытой струей, что вызывает вторичное окисление металла.

1)Кислород попадает в металл в результате инжектирования окружающей атмосферы во внутрь жидкости. Схема этого процесса показана на рис.5.2.

Количество воздуха, инжектируемого струей, составляет 0,2-1,0 доли от объема металла. Оно возрастает с увеличением длины струи, уменьшением диаметра стакана и, ростом величины возмущения при торможении струи, турбулизации и вихреобразования. Это соответствует приросту кислорода [O] = 0,0007-0,0040% (примерно 10% от общей массы поглощенного кислорода).

Поглощение кислорода из атмосферы поверхностью струи

описывается уравнением:

M₀  C₁ - C₂)  S  , (5.1)

где  - коэффициент массопереноса;

C₁ и C₂ –соответственно, концентрации кислорода в воздухе и в металле;

S – поверхность струи, с учетом ее разрыхления: Sdст.Lструи

 - время разливки,  m_расх.

.

3) Поглощение кислорода зеркалом металла в кристаллизаторе (изложнице):

m_   (С₁  С₂)  S_зер.   (5.2)

где  - коэффициент массопереноса на поверхности зеркала металла в

кристаллизаторе (изложнице); S_зер – поверхность зеркала металла.

В зависимости от способа разливки и защиты металла от взаимодействия с воздухом количество поглощенных газов струей и зеркалом металла в изложнице (кристаллизаторе) изменяется в широких пределах. Обычно при сифонной разливке 40-70% газов поглощается зеркалом металла в изложнице, а при разливе сверху 80…95% газов попадает в металл через поверхность струи. Непрерывная разливка в настоящее время преобладает с полной герметизацией струи при заполнении промежуточного ковша, разливке методом «под уровень» и защитой зеркала металла в промковше и кристаллизаторе.

Рассмотрение возможных вариантов массопереноса компонентов воздуха в жидкий металл, в процессе разливки позволяет наметить способы предотвращения указанного явления и предупредить развитие процессов вторичного окисления. Такими способами могут быть: заполнение промежуточного ковша через огнеупорные проводки, разливка «под уровень», применение теплоизолирующих покрытий, создание инертной или восстановительной атмосферы вокруг струи и в полости кристаллизатора (изложницы). Наиболее полная защита металла от вторичного окисления при разливке – это разливка металла в вакууме.