МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Голуб Ірина Валеріївна

УДК 669.046.564.536

ОСОБЛИВОСТІ ДЕГАЗАЦІЇ МЕТАЛУ ПРИ ПОЗАПІЧНІЙ ОБРОБЦІ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ЯКІСНОЇ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ЗАГОТОВКИ

Спеціальність 05.16.02 - "Металургія чорних металів"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки Украіни.

Науковий керівник:

Яковлєв Юрій Миколайович, доктор технічних наук, Національна металургійна академія України, професор кафедри теорії металургійних процесів і фізичної хімії.

Офіційні опоненти:

Бойченко Борис Михайлович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри металургії сталі, Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ).

Медовар Лев Борисович, доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділом фізико-металургійних проблем електрошлакових технологій Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України (м. Київ).

Провідна установа:

Дніпродзержинський державний технічний університет

(м. Дніпродзержинськ).

Захист відбудеться "_7__" ____05____ 2007 р. о _1230_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України, 49600, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий "2" __04___2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Одержання якісного металу в сталеплавильних агрегатах обмежується можливостями регулювання фізико-хімічних умов протікання основних реакцій, що викликає необхідність розробки процесів позапічної обробки сталі, що у даний час набуває все більшого значення. Роботами Поволоцького Д.Я., Кудріна В.А., Вишкарьова О.Ф., Величко О.Г., Бойченко Б.М. і ін. показані переваги ковшового рафінування при рішенні задач одержання якісного металу. Одним із завдань ківшевої обробки є зниження концентрації розчинених у сталі газів - кисню, водню, азоту. Основним методом видалення водню й азоту є вакуумування або продувка металу інертними газами, в основному використовують аргон. При виробництві кисню й аргону в кисневих цехах попутно одержують велику кількість азоту, що за собівартістю в чотири рази дешевше аргону. Заміна частини аргону азотом дозволить істотно знизити собівартість одержуваного продукту.

Азот у більшості випадків впливає на властивості сталі, яка стає схильною до старіння. Особливо це проявляється в сталях, що працюють при підвищених температурах. Однак, існує цілий клас сталей, у яких азот виступає легуючим елементом. Є дані про продувку низьковуглецевого металу азотом у конвертері. У всіх випадках видалення розчинених у металі газів істотну роль грає кінетика процесів на межі метал - газова фаза й ступінь наближення до рівноваги реакції розчинений газ - газова фаза, відомості про які в цей час відсутні. Крім того, важливим моментом є спільне протікання реакцій видалення декількох газів. Величини потоків газів при їхньому спільному видаленні є важливою характеристикою для аналізу поводження азоту в металі і розширенні сортаменту сталей, до яких можливе застосування при позапічній обробці металу продувними газовими сумішами, що містять азот. При цьому ефективність використання таких продувних сумішей дозволить суттєво знизити собівартість продувного газу, витрата якого при позапічній обробці металу збільшується з кожним роком. Управління процесами дегазації базується на великій кількості інформації, обробка якої та наступний аналіз з метою прийняття рішення потребує значного часу. Створення відповідних математичних моделей, адекватних виробничим процесам, дозволить провести моделювання впливу різних факторів на процес одержання якісної сталі, в тому числі при позапічній обробці. В цьому випадку зростає значення детермінованих комплексних моделей позапічної обробки металу з наступним розливанням, що дозволить розширити клас сталей, оброблюваних газовою сумішшю, що містить азот.

Таким чином, дослідження які спрямовані на удосконалення позапічної обробки металу рядового сортаменту шляхом використання у якості продувних газів сумішей на основі аргону, та більш дешевого азоту е актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання і проблеми, розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній науково-технічній ресурсозберігаючій технології нового покоління в гірничо-металургійному комплексу України до 2010 року. Виконання дисертації пов'язане із планами науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України і СЗАТ “Молдавський металургійний завод” № госреєстрації 0105U003488 “Розробка технології виплавки і позапічної обробки особо низьковуглецевих сталей для виробництва високопластичної катанки”. Основу дисертації становлять результати науково-дослідних робіт, виконаних при активній участі автора з 2004 по 2006 роки, № госреєстрації 0103U003214 “Розвиток теорії будови металевих і оксидних розплавів і дослідження їх взаємодії з метою одержання високоефективних рафінуючих реагентів і виробництва принципіально нових сталей і комплексних матеріалів”.

Мета й завдання дослідження. Мета роботи полягає в теоретичному обґрунтовуванні, дослідженні процесів дегазації металу при позапічній обробці і удосконаленні позапічної обробки сталей рядового сортаменту при зміні складу продувного газу на підставі фізико-хімічного аналізу процесів взаємодії газів, розчинених в рідкому металі і в процесі отримання безперервної заготовки. Відповідно до цього поставлені наступні завдання дослідження:

- виконати термодинамічний аналіз і оцінити кінетичні показники розчинення газів в металі при ковшовій обробці;

- вивчити гідродинаміку, тепло- і масообміні процеси, які відбуваються в ковші при продуванні інертними газами і вакуумуванні;

- розробити фізико-хімічну і математичну модель видалення розчинених в металі газів при позапічній обробці;

- визначити величину відхилення реакцій видалення розчинених кисню, водню і азоту з металу від рівноваги при позапічній обробці;

- вивчити закономірності поведінки розчиненого в металі азоту при позапічній обробці і подальшому затвердіванні безперервної заготовки з оцінкою можливості насичення сталі рядового сортаменту газоподібним азотом;

- розробити оптимальний склад продувної газової суміші для сталей рядового сортаменту при позапічній обробці металу.

Об'єкт дослідження – процеси дегазації металу при позапічній обробці.

Предмет дослідження - термодинамічні і кінетичні характеристики процесів видалення водню, азоту і кисню з металу при позапічній обробці сталі і затвердіванні безперервної заготовки.

Методи дослідження - В роботі використані стандартні методи хімічного аналізу складу металу, методи математичної статистики для встановлення залежностей вмісту азоту в металі, математичне моделювання процесів позапічної обробки для отримання сталей рядового сортаменту і з підвищеним вмістом азоту; промислово-експериментальні дослідження в умовах діючого виробництва.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше проведені комплексні дослідження поведінки газів, розчинених у металі, виконано теоретичне узагальнення й запропоновані нові рішення наукових і практичних завдань, які є базовими для розробки оптимальних режимів позапічної обробки сталей рядового сортаменту газовими сумішами, що містять аргон і азот, з наступним аналізом процесу дегазації металу при його затвердіванні.

Розвинені теоретичні уявлення про механізм дегазації металу й встановлені термодинамічні й кінетичні залежності поведінки азоту протягом усього циклу виробництва металу й показано, що при заміні аргону в продувному газі азотом поводження СО і водню в пузирях цього газу залишається практично однаковим. Вміст СО і водню в пузирях продувного газу не залежить від співвідношення в ньому аргону й азоту.

Вперше запропоновано і науково обґрунтовано вплив заміни частини аргону азотом у продувному газі, що приводить до перерозподілу величин і напрямку потоків азоту з металу в пузирі продувного газу. Частка азоту, що надходить із продувного газу в метал при цьому зростає у початковий момент часу, але більша швидкість переходу азоту з металу в пузирі СО і через поверхню приводить до загального зниження концентрації азоту в металі по ходу процесу.

Одержало подальший розвиток математичний опис процесів дегазації металу й уперше розроблена комплексна математична модель видалення розчинених газів на різних стадіях позапічної обробки з використанням продувних сумішей різного складу. Результатами моделювання показано, що існує оптимальне співвідношення газів у продувній суміші. Співвідношення аргону і азоту визначається сортаментом сталі і залежить від початкового вмісту азоту у відповідній марці сталі й може становити 31, 21, що забезпечує одержання якісної безперервної заготовки.

Теоретичними дослідженнями встановлено, що при вакуумній обробці сталі, як з продуванням аргоном, так і без аргону, ступінь відхилення реакції зневуглецьовування в цих випадках вельми далека від рівноваги але практично близькі один до одного. Реакції видалення водню і азоту, розчинених в металі, близькі до рівноваги. Реакція видалення кисню в пузирі СО відхилена від рівноваги приблизно в 40 разів, через поверхню - в 5000 раз і в пузир аргону – в 400 разів. Нерівноважний стан реакції зневуглецьовування забезпечує появу значних об’ємів пузирів СО, що приводить до збільшення потоку азоту в пузир СО і його подальше видалення з металу. Висказано припущення про можливий механізм цього переходу.

Виявлено, що при використанні продувної суміші, що містить аргон і азот у співвідношенні 2ч1, при вакуумній обробці не відбувається негативного впливу насичення азотом металу, що приводить до зниження механічних властивостей, оскільки азот практично повністю переходить у пузир СО.

Практичне значення отриманих результатів:

Розроблено і впроваджено спосіб використання газоподібної суміші для сталей звичайного сортаменту на установці піч-ківш в співвідношенні 31, і при вакуумуванні в співвідношенні 21, що дозволяє підвищити ступінь використання азоту при позапічній обробці металу (приорітет на винахід “Позапічна обробка сталі” від 26.03.2006 р.). Однак, при цьому варто враховувати вибір марок стали та рекомендувати використання продувних сумішей з азотом для сталей рядового сортаменту та вакуумованих сталей, що не містять нітрідоутворюючих елементів з метою одержання якісної безперервної заготовки. Запропонований спосіб має ресурсозберігаючу важливість для металургійних заводів України.

Розроблена комплексна математична модель дозволяє одержати відомості про використовування газоподібного азоту або газоподібних продувних сумішей в процесах легування металу азотом, а також досліджувати можливості використання різних комбінацій продувних газів, розрахувати відхилення реакцій дегазації від рівноваги, виявити частку видалення розчинених газів по статтях видалення (пузирі СО, аргону, азоту, поверхня металу).

Запропоновано методику розрахунку кількості газів у суміші з урахуванням розчинності газів у твердій фазі, що формується в злитку, який твердіє, що дозволяє розрахувати початкову й кінцеву висоту утворення пузирів у безперервній заготовці та їх розмір.

Розроблені в даній роботі склади продувних сумішей були випробувані в умовах СЗАТ “Молдавський металургійний завод”. Одержаний економічний ефект складає близько 50 000 грн.

Реалізація результатів роботи. Результати досліджень і розробок дисертаційної роботи були реалізовані у сталеплавильних цехах “Молдавський металургійний завод” при виплавці сталі Св -08Г2С і 35 ГС та в навчальному процесі на кафедрі ТМП і ФХ Національної металургійної академії України.

Особистий внесок дисертанта. Експериментальні і теоретичні дослідження, наведені в дисертаційній роботі, виконані під керівництвом і при безпосередній участі автора разом із співробітниками СЗАТ ММЗ і Національної металургійної академії України. В наукових працях автора, виконаних із співавторами, особистий внесок автора в статтях, наведених в авторефераті, полягає в постановці задачі, дослідженні на математичній моделі і промислових експериментів процесів дегазації металу при позапічній обробці з продуванням сталі газоподібним сумішами [1], в постановці задач і аналізі результатів оптимізації схеми позапічної обробки, направленої на зниження газів в сталі [2], в розрахунковому рішенні і аналізі результатів зміни складу продувного газу в процесі позапічної обробки сталі [3].

Апробація результатів досліджень. Результати досліджень, включених у дисертацію, повідомлені: на міжнародній науково-технічній конференції: "Проблеми математичного моделювання" (Дніпродзержинськ, 2005, 2006), міжнародна науково-технічна конференція “Тепло- масообмінних процесів у металургійних системах” (Маріуполь, 2005), міжнародна науково-технічна конференція "Матеріали і металургія " (Хорватія, 2005, 2006), міжнародна конференція “Стратегія якості в промисловості та освіти” (Болгарія 2006), міжнародна науково-технічна конференція “Теорія і практика сталеплавильних процесів” (2005, 2006) г. Дніпропетровськ, міжнародна наукова конференція “Нові технології і матеріали в металургії і інженерному металознавстві” (Польща, 2006).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 7-мі наукових працях, у тому числі: 4-ьох статтях у наукових журналах і збірниках, 3- ьох матеріалах науково-технічних республіканських і міжнародних конференцій, семінарів і конгресів, 1-н приорітет на винахід.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 167 найменувань, 2 додатків. Дисертаційна робота містить 190 сторінок друкованого тексту, 90 малюнків, 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, поставлені мета й завдання дослідження, сформульовані наукові положення, які виносяться на захист і їх практичне значення.

У першому розділі на підставі огляду науково-технічної літератури: проведений аналіз сучасних відомостей про вплив азоту на властивості сталі і на структуру злитка, термодинамічних і кінетичних уявлень, процесів затвердівання безперервної заготовки; розглянуті теоретичні основи формування і росту пузирів при продувці рідкого металу газами; проаналізовані проблеми й перспективи застосування газоподібної продувної суміші, яка містить азот. Обґрунтовано актуальність, конкретизовані мета й завдання досліджень.

У другому розділі розроблена методика та побудована математична модель для дослідження і аналізу процесу дегазації металу при позапічній обробці сталі продувними газовими сумішами; вивчено поведінку азоту при киснево-конвертерному процесі та при електросталеплавильному виробництві, механізм і кінетика формування структурних зон литого металу. Моделювання дегазації металу проведено для сталей рядового сортаменту із застосуванням продувки металу чистим аргоном, азотом і аргоно - азотними сумішами при ковшовій обробці металу та при вакуумуванні.

Дослідженнями встановлено, що для одержання низького вмісту азоту в готовому металі при киснево-конвертерній плавці необхідно забезпечити низький рівень азоту в напівпродукті й зберегти його шляхом захисту металу від атмосфери при випуску, позапічній обробці й розливанню. Раціональне розкислення й легування сполучати із позапічною обробкою, де легше усунути або зменшити вплив атмосфери. Легування рідкої сталі газоподібним азотом можливо, як у процесі продувки в агрегаті, так і при позапічній обробці. У процесі позапічної обробки необхідно вибрати такий режим продувки аргоном, при якому досягається мінімальне оголення металу навіть при створенні відновлювальної атмосфери під кришкою на УКП.

Дослідження з метою визначення джерел надходження азоту в метал по ходу обробки на УКП показали, що основне насичення азотом відбувається в результаті контакту дзеркала металу з повітрям, особливо після глибокого розкислення металу. Виявлено заходи, які сприяють зниженню вмісту азоту в електропічному металі, а саме: селективне використання вихідних матеріалів з низьким вмістом азоту; робота ДСП на спіненому шлаку; підвищення чистоти кисню. Поряд із цим отримані нові результати: вміст азоту зменшується зі збільшенням вмісту вуглецю по розплавленні; у процесі випуску та позапічної обробки вміст азоту підвищується, величина цього приросту азоту зменшується зі збільшенням вихідного вмісту азоту, причому для позапічної обробки ця залежність більше значима; установлено параболічну залежність приросту вмісту азоту від інтенсивності продувки аргоном на УКП. Досліджено поведінки азоту в технологічному циклі виробництва сталі марки 35ГС і Св-08Г2С (рис. 1 а,б).

а | б

Рисунок.1. Зміна вмісту азоту по технологічному циклу виробництва сталі 35ГС (а) і

Св-08Г2С (б).

Показано, що по ходу технологічного процесу азот в сталях, підвищується в середньому на 30 ррм. Однак, для невакуумованої сталі чим інтенсивніше продувка аргоном, тим краще відбувається видалення азоту. При цьому, по ходу технологічного процесу відбувається незначне зниження вмісту азоту при вакуумуванні, з наступним незначним підвищенням і подальшим зменшення. Так, вміст азоту в готовому сорті в плавках з вакуумуванням становило в середньому 70 ррм, а в порівняльних плавках, які не вакуумувались – в середньому складало 85 ррм. При обробці сталей Св-08Г2С за прямою схемою УКП-Вакууматор-МБЛЗ спостерігається більше інтенсивне зниження азоту. Дослідження якості металу показали, що бал і склад неметалевих включень не перевищує звичайних і відповідає припустимим значенням.

Побудована комплексна математична модель процесу дегазації металу, яка дозволяє провести ряд досліджень. Виявлено, що відношення концентрацій кисню й вуглецю по глибині ванни носить згасаючий характер. При високих питомих потужностях перемішування спостерігається деяке зниження відношення концентрацій кисню в нижніх і верхніх шарах. При окислюванні вуглецю має місце саморегулювання цього процесу, що складається в зміні окислюванності металу залежно від числа можливих центрів зародження пузирів і їх радіуса.

Аналіз гідродинамічних процесів показав, що при продувці через сопла пузирі газу утворюють ланцюжки, що спочатку торкаються один одного, потім розбігаються і у верхніх шарах металу перетинаються. Теплообмін між пузирями й металом протікає у дві стадії: при формуванні й росту пузиря до його відриву від сопла й при спливанні пузиря. Основний прогрів відбувається в період спливання пузиря при граничних умовах першого роду. Нагрівання пузиря до температури металу відбувається на ділянці висотою до 0,5 м. При продувці через вставку зі спрямованою пористістю кожна пора працює, як окреме сопло. Це приводить до утворення більше дрібних пузирів і зростання їхньої сумарної поверхні. Барботування металу спливаючими пузирями забезпечує досить інтенсивне його перемішування. Значення дифузійного числа BiД для випадку дифузії газу, розчиненого в металі, у пузир іншого газу становить 0,05...0,4, що свідчить про лімітування процесу тільки зовнішнім масообміном.

У третьому розділі наведено результати дослідження процесів дегазації металу на установці піч-ківш при обробці металу різними газоподібними сумішами. Метою дослідження став пошук і розробка складу продувного газу при обробці металу на установці піч-ківш в умовах масового виробництва сталей рядового сортаменту.

Продувку великих мас металу інертними газами в ковші широко застосовують на промислових підприємствах з іншими видами позапічної обробки. Найбільш часто для продувки металу в ковші використовують аргон. Для продувки металу, що не містить нітридоутворюючих елементів (цирконій, титан, ванадій і т.д.), іноді застосовують азот. Вартість азоту значно менше, ніж аргону. Витрата інертного газу при продувці звичайно становить 0, 3-2,0 м3/т, тому навіть незначна заміна аргону азотом дозволить істотно знизити собівартість продувки металу газом у ковші. Моделюванням на розробленій математичній моделі процесу додаткового зневуглецьовування при продувці металу аргоном у ковшах виявлено, що на процес видалення кисню з металу при його продувці аргоном, практично не впливає час продувки. Помітно впливає кількість сопел і кількість продувного аргону.

При продувці металу аргоном при нормальному атмосферному тиску відбувається додаткове розкислення сталі вуглецем, ступінь якого залежить від витрати аргону й площі поверхні пузирів. Реакція додаткового розкислення далека від рівноваги. Реакція видалення водню в пузир інертного газу близька до рівноваги, повнота її протікання визначається головним чином витратою аргону, зовнішній масоперенос реакцію практично не лімітує і її швидкість слабко залежить від площі поверхні пузирів. Збільшення витрати аргону й кількість сопел не впливає на видалення азоту з металу.

Реакція видалення газів (СО, водню й азоту) з утворенням молекул протікають на поверхні розділу металевої й газової фаз. Отже, при розрахунках рівноваги в системі метал - пузир необхідно знати парціальні тиски реагуючих газів у пузирі. Цей розрахунок може бути зроблений по величинах мас газу, що перебувають у пузирі. При наявності декількох газів у пузирі [Г1], [Г2], ... [Гi] парціальний тиск кожного газу може бути визначене по вираженню

(1)

де m1, m2, ... mi – маси газів у газовій суміші, M1, M2, ... Mi – молекулярні маси цих газів, P – загальний тиск, під яким перебуває газова суміш.

Дослідженням на математичній моделі спільного процесу видалення газів при продувці аргоном у ковші виявлено, що кисень на початку процесу продувки металу аргоном видаляється в пузирі СО, і тільки після 15 хвилин обробки через поверхню металу, у пузирі аргону кисень не видаляється (рис.2). Водень при продувці аргоном металу, який оброблений на установці піч-ківш поводиться інакше (рис.3).

Рисунок 2. Частка видалення кисню: 1- у пузир СО, 2 – у пузир аргону, 3 – через 50% відкритої поверхні. | Рисунок 3. Частка видалення водню: 1- у пузир СО, 2 – у пузир аргону, 3 – через 50% відкритої поверхні

Основна частина видаляється через поверхню, небагата водню видаляється із СО, а вже через 10 хвилин видаляється за рахунок пузиря аргону.Азот видаляється в пузирі СО, через поверхню металу й у пузирі аргону (рис.4), що підтверджує висловлення Явойського В.І.: “Азот, що є поверхнево-активним елементом, переходить із об’єму металу в пузирі окису вуглецю й поступово десорбується в газову фазу”. |

Рисунок 4. Частка видалення азоту по статтях: 1- у пузир СО, 2 - у пузир аргону, 3 - через 50% відкритої поверхні.

Встановлено, що концентрація азоту не зросте, доки відбувається окислення вуглецю, але , як тільки процес зневуглецьовування припиняється, вміст азоту в металі починає рости.

Після припинення утворення і видалення пузирів СО, при закритій поверхні металу шлаком, азот не віддаляється. На установці ківш-піч поверхня металу практично завжди закрита шлаком, тому весь розчинений газ у металі видаляється за рахунок перемішування металу газами, в тому числі при продувці інертним газом. На наш погляд, одержані відомості про переважне видалення розчиненого азоту в металі з пузирем СО може бути пов'язане з протіканням ряду хімічних реакцій. Відомий факт переважного зародження пузиря СО на футеровці ковша, зростання і його спливання і пов'язане з цим значне перемішування металу можуть привести до доставки і хімічної взаємодії розчинених в металі азоту і кисню на межі розподілу метал-газ, яким може бути пузир СО або аргону. Оксид NO, що утворюється, є сильним окислювачем і виступає ініціатором ряду реакцій поблизу пузиря СО, що зародився. З одного боку, це може бути окислення газу СО до СО2 і з появою N2, з іншого - окислення заліза до FeO і поява N2. Оксид СО2, що утворився, здатний виступити окислювачем по відношенню до заліза з утворенням СО в безпосередній близькості до N2. З причини близькості деяких фізичних властивостей (густина, теплоємність, в'язкість і т. д.) і близькості молекулярних мас ці два гази (СО і N2) здатні утворити сумісний газовий об'єм. Величини коефіцієнтів дифузії за даними Н. М. Чуйко для газів, розчинених в сталі, в діапазоні температур 1823 – 1923 К мають наступні значення: водню - ,м2/с; кисню - м2/с; азоту - , м2/с. Коефіцієнт дифузії азоту на порядок нижче, ніж кисню й на два порядки нижче, чим водню. Розрахунки коефіцієнтів масовіддачі дали наступні значення: для водню - ,м2/с; для кисню - , м2/с; для азоту - , м2/с. Розрахунковий час підйому пузиря аргону складає 3 секунди, а час зростання і підйому пузиря СО 9 секунд (на висоту 3 м), отже, зважаючи на низькі показники коефіцієнтів дифузії і масовіддачі азоту, більш вірогідне видалення азоту з пузирем СО в газову фазу, ніж з пузирем аргону. При цьому існує невелика вірогідність видалення азоту з пузирем аргону. Запропонована схема видалення азоту не заперечує механізму, приведеного іншими авторами (Явойський В.І., Кудрін В.А. і ін.)

Вивчаючи питання про заміну складу продувного газу, досліджували можливість заміни аргону на азот у процесі позапічної обробки. У процесі продувки металу азотом, відбувається максимальне розчинення азоту в металі. При розливанні металу можливо відхилення в поведінці азоту при затвердіванні, через зниження температури металу й зміну розчинності. Дослідження проводилися на сталі 35СГ, хімічний склад після позапічної обробки наступний: С = 0.34 %, Mn = 0.91%, Si = 0.60 %, Cu = 0.21 %, Ni = 0.13 %, P = 0.028 %, S = 0.018 %, Gr = 0.125 %, N = 0.024 % і ін. Розливання металу здійснювали при температурі 1530оС. Перетин заготовки 125х125 мм. Сталь виплавлена в ДСП із припустимим змістом азоту (N = 0.001 %) , у процесі позапічної обробки продувалася азотом 2 м3/хв. Заготовка мала численні дірчастості й великі часті пузирі (рис. 5).

У процесі позапічної обробки при продувці металу азотом, відбувається насичення металу до граничних концентрацій при певному температурному режимі. Візуально відзначалося незначне перемішування шлаків без оголення дзеркала металу, що пов'язане з активним розчиненням азоту в сталі. |

Рисунок 5. Макроструктура заготовки отриманої у результаті обробки металу азотом у процесі позапічної обробки.

Інтенсивне перемішування металу й виділення газу спостерігається при витратах азоту, близьких до умов максимальної швидкості насичення.

Дослідженнями доведено, що підвищення вмісту азоту, розчиненого в металі, сприяє утворенню пузирів при затвердіванні заготовки.Таким чином, продувку металу можна здійснювати азотом при виробництві марок сталі, в яких не обмежується вміст азоту по стандартах: ГОСТ 10884-94; ТУ 15-298-93; ASTM A 510 M-82;EN 10016. Виявлений негативний вплив азоту не заперечує можливість продувки металу азотом на установці ківш-піч, але необхідно вибрати оптимальну кількість продувного газу на тону металу. Оптимальне співвідношення азоту і аргону в продувній суміші при обробці металу на установці ківш-піч при виробництві сталей рядового сортаменту складає 1 ч 3.

При заміні аргону в продувному газі азотом поведінка СО і водню в пузирях цього газу практично залишається однаковою. Вміст СО і водню в пузирях продувного газу не залежить від співвідношення в ньому аргону й азоту.

Заміна частини аргону азотом у продувному газі приводить до перерозподілу величин і напрямку потоків азоту з металу в пузирі продувного газу. Швидкість надходження азоту з продувного газу в метал при цьому зростає, але швидкість переходу азоту з металу в пузирі СО і через поверхню перевищує і забезпечує загальне зниження концентрації азоту в металі (рис. 6). |

Рисунок 6. Зміна концентрації азоту в металі при різних співвідношеннях аргону і азоту в продувній суміші: 1- аргон 0 м3/хв, азот – 0,1 м3/хв; 2- аргон 0,2 м3/хв, азот – 0,2 м3/хв; 3- аргон 0,25 м3/хв, азот – 0,15 м3/хв; 4- аргон 0,3 м3/мін, азот – 0,1 м3/хв. Частка відкритої поверхні 0%.

При використанні оптимального співвідношення продувних газів видалення

кисню й водню відбувається аналогічно видаленню газів з використанням аргону, при продувці металу. Використання газоподібної суміші (1,5 м3 аргону й 0,5 м3 азоту опробувано на сталі 35ГС. Макроструктура отриманої заготовка приведена на рисунку 7. При впровадженні продувної газової суміші, яка містить азот для продувки металу на установці ківш-піч, необхідно враховувати марку сталі, в першу чергу це стосується наявності нітрідоутворюючих елементів і складністю одержання якісної безперервної заготовки. |

Рисунок 7. Макроструктура заготовки, яка отримана у результаті обробки металу оптимальною газоподібною сумішшю в процесі позапічної обробки.

У четвертому розділі досліджували процес дегазації металу при вакуумуванні із продувкою металу газоподібними сумішами.

При використанні азоту, в якості продувного газу разом з аргоном, або замість нього, зміни в термодинаміці видалення кисню й водню будуть пов'язані зі зміною величин парціального тиску в газовому середовищі, що визначає рівновагу між вмістом газу в металі і у пузирі. З метою визначення впливу вмісту азоту в газовій суміші, що складається з аргону й азоту, була проведена серія розрахунків з використанням вищезгаданої математичної моделі.

Напрямок реакції Ѕ N2 = [N] в умовах вакуумної обробки сталі є оборотною та залежить від знака потоку азоту між металом і пузирями продувного газу.

, (2)

де вН – коефіцієнт масовіддачі між металом і пузирем, [N] і [N]r - фактична й рівноважна з газом концентрація азоту в металі.

Величина потоку азоту визначається як величиною коефіцієнта масовіддачі, так і різницею концентрацій азоту, фактичної в металі і рівноважної з пузирями газу. Коефіцієнт масовіддачі – в пов'язаний з коефіцієнтом дифузії, розміром і умовами спливання пузирів. Другим фактором, що визначає величину й напрямок потоку азоту, є різниця фактичної концентрації азоту і рівноважної з вмістом азоту в газовій фазі. При витратах азоту нижче 0,3 м3/хв утворюється невелика область біля поверхні метала, де вміст азоту, рівноважний з газом, нижче фактичного. При витратах азоту більше 0,3 м3/хв на всьому шляху спливання пузирів потік азоту спрямований в об’єм металу.

При відсутності азоту в продувному газі потік азоту весь час спрямований до пузиря. Частка видалення азоту в пузирі СО на початку процесу досягає 90 % і при подальшому видаленні з металу кисню знижується до 40 %. За рахунок цього, відповідно, зростає частка видалення через поверхню. Частка видалення азоту в пузирі аргону невелика - близько 2 - 3 %. З підвищенням частки азоту в продувному газі практично по всій висоті спливання пузирів концентрація азоту в металі, рівноважна з пузирями, вище, ніж фактична. Отже, повинен бути потік азоту з газу в метал. На рисунку 8 наведений розподіл азоту із продувного газу по статтях при відносно малих його витратах (близько 25% у продувній суміші). В загальному балансі до кінця процесу близько 10 % азоту надходить у метал, але близько 40 % видаляється в пузирі СО і близько 50 % видаляється через поверхню. |

Рисунок 8. Баланс азоту, (%), при продувці сумішшю азоту (0,1 м3/хв.) і аргону (0,3 м3/хв.): 1 - видалення в пузирі СО; 2 – видалення через поверхню; 3 – надходження в метал

Раніш було встановлено, що основне видалення кисню (до 99 %) відбувається в пузирі СО при протіканні реакції зневуглецьовування.

В пузирі продувного газу видаляється незначна кількість кисню. Зі збільшенням витрати азоту видалення кисню в пузирі продувного газу трохи знижується, а через поверхню трохи підвищується. Часткова або навіть повна заміна аргону азотом практично не змінює кінетику видалення кисню при вакуумній обробці сталі з продувкою металу. Аналогічно видаленню кисню, заміна аргону азотом у продувному газі також практично не впливає на кінетику видалення водню з металу. Це пов'язане з тим, що при заміні аргону азотом парціальний тиск водню в газовій фазі змінюється відносно слабко. Однак, при невеликій молекулярній масі водню його парціальний тиск у пузирі буде досягати істотних величин, але у зв'язку з малим масовим вмістом його в сталі, видалення водню досягає помітних значень.

Становить інтерес зміна частки видалення водню по статтях: у пузирі СО, у пузирі продувного газу й через відкриту поверхню металу. Вплив заміни аргону азотом у продувному газі представлено на рисунках 9 - 11. Зі збільшенням тривалості продувки газовою сумішшю частка видалення водню в пузирі СО увесь час знижується, що пов'язане зі зниженням швидкості реакції зневуглецьовування при зменшенні концентрації кисню в металі. При цьому частка видалення водню через поверхню зростає. Частка видалення водню в пузирі продувного газу трохи підвищується, але не перевищує 5 - 7 % загального видалення водню. З підвищенням витрати азоту в продувному газі частка видалення водню в пузирі продувного газу трохи знижується, але продовжує залишатися невеликою - близько 3 - 5 %. Розподіл водню по статтях видалення також залишається практично незмінним.

Рисунок 9. Частки видалення водню при витраті аргону 0,4 м3/хв. без витрати азоту, %: 1 – у пузирі СО, 2 – у пузирі аргону, 3 – через поверхню. | Рисунок 10. Частки видалення водню по статтях при витратах азоту й аргону по 0,2 м3/хв., %: 1 – у пузирі СО, 2 – у пузирі аргону, 3 – через поверхню

З наведених малюнків видно, що загальний характер статей видалення водню при цьому залишається аналогічним. |

Рисунок 11. Частки видалення водню при витраті азоту 0,4 м3/хв., без витрат аргону, %: 1 – у пузирі СО, 2 – у пузирі аргону, 3 – через поверхню.

Розроблений вміст азоту в продувній суміші випробувано в умовах СЗАТ “ММЗ“ на сталі СВ-08Г2С.

При використанні газової суміші, яка містить 1 м3 азоту й 2 м3 аргону, одержали якісну безперервну заготовку, макроструктура якої представлена на рисунку 12. |

Рисунок 12. Макроструктура заготовки сталі Cв-08Г2С отриманий у результаті обробки металу оптимальною газоподібною сумішшю в процесі вакуумування.

Таким чином, можливо істотно збільшувати кількість азоту в продувному газі, знизити кіль

кість використовуваного аргону і збільшити кількість марок сталі, які можуть оброблятися газовими сумішами, що містять азот.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення й запропоновано нові рішення наукових і практичних завдань, які є базовими для розробки оптимальних режимів позапічної обробки сталей рядового сортаменту газовими сумішами. Це дозволить одержати якісні безперервні заготовки й знизити собівартість позапічної обробки.

Аналіз літературних даних свідчить про те, що азот впливає на властивості й структуру сталей, на термодинамічні й кінетичні особливості дегазації рідкої сталі, на масообміні і гідродинамічні процеси при розчиненні й взаємодії газів у металі, на особливості затвердівання злитка безперервної заготовки. Тому дослідження насичення металу азотом і впливу продувного газу на видалення азоту, водню й кисню при виплавці й позапічній обробці є актуальним завданням.

У роботі розглянуто поведінку азоту в процесі виплавки й позапічній обробці металу, отримані наступні закономірності:

1. При виплавці металу в ДСП і позапічній обробці для мінімізації насичення сталі азотом, необхідно ізолювати метал від контакту з атмосферою. У процесі позапічної обробки необхідно вибрати такий режим продувки аргоном, при якому досягається максимальне покриття дзеркала металу шлаками.

2. Аналіз гідродинамічних процесів показав, що відношення концентрацій кисню й вуглецю по глибині ванни носить згасаючий характер; при високих питомих потужностях перемішування спостерігається деяке зниження відношень концентрацій кисню в нижніх і верхніх шарах, особливо при малій товщині шару металу. Максимальні різниці концентрацій у верхніх і нижніх шарах становлять для кисню близько 12 % відносних, для вуглецю – близько 0,2відносних.

3. Теплообмін між пузирями продувного газу й металом протікає у дві стадії: при формуванні й росту пузиря до його відриву від сопла й при спливанні пузиря. Основний прогрів пузиря до температури металу відбувається в період спливання пузиря на ділянці висотою до 0,5 м. Значення дифузійного числа BiД для випадку дифузії газу, розчиненого в металі, у пузир іншого газу становить 0,05...0,4, що свідчить про лімітування процесу тільки зовнішнім масообміном. Підтверджено висловлене раніше припущення, що видалення кисню лімітує зовнішній масообмін, а водню -об‘єм інертного газу, що проходить через метал. Видалення азоту лімітується зовнішнім масообміном та об‘ємом газу СО.

4. Вперше побудована комплексна математична модель процесу позапічної обробки металу і наступним аналізом поведінки газів при затвердіванні безперервної заготовки. Розроблений алгоритм дає можливість прогнозувати одержання якісної безперервної заготовки для сталей неспеціального призначення при варіюванні складів продувної газової суміші.

5. Проведено дослідження поведінки газів, розчинених у металі, при використанні продувної газової суміші. При заміні аргону в продувному газі азотом поведінка СО і водню в пузирях газу практично залишається однаковим. При подальшому видаленні кисню з металу вміст СО у пузирях продувного газу падає, а за рахунок цього зростає вміст водню й азоту.

Заміна частини аргону азотом у продувному газі приводить до перерозподілу величин і напрямку потоків азоту з металу в пузирі продувного газу. Частка азоту, що надходить із продувного газу в метал при цьому зростає, але перехід азоту з металу в пузирі СО і через поверхню залишається достатнім, що приводить до загального зниження концентрації азоту в металі.

Часткова або навіть повна заміна аргону азотом практично не змінює кінетику видалення кисню і водню при вакуумній обробці сталі з продувкою металу інертним газом у ковші і не змінює механізм цього процесу. Розподіл кисню і водню по статтях видалення також залишається практично незмінним.

6. При спільній обробці сталі вакуумуванням з продувкою нейтральним газом, визначено, що реакція зневуглецьовування при вакуумній обробці істотно зрушена від рівноваги і по статтях видалення відхилена від рівноваги в 10 – 2000 разів, реакція видалення водню значно ближче до рівноваги і відхилена в 1,5 –8 разів. Реакція видалення водню в пузирі інертного газу близька до рівноваги, повнота її протікання визначається головним чином витратою аргону, зовнішній масообмін реакцію практично не лімітує і її швидкість слабко залежить від площі поверхні пузирів. При вакуумуванні з одночасною продувкою аргоном найбільша кількість водню видаляється через поверхню металу, відкриту від шлаку, і найменша кількість – у пузирі СО.

При вакуумуванні з одночасною продувкою аргоном відбувається інтенсифікація реакцій додаткового розкислення вуглецем і видалення водню з металу в пузирі аргону, головним чином за рахунок різкого підвищення площі поверхні пузирів у верхніх горизонтах металу та зниження парціального тиску газів у пузирях. При спільному видаленні газів частка водню, що видаляється, значно більша, ніж кисню, що зв'язано з