3.8.2. Плавление скрапа

Такие процессы, как плавление скрапа и усвоение его металлической ванной или формирование жидкого шлака из извести и других твердых окислов, по своей природе родственны процессам растворения. Рассмотрим, какими факторами определяется скорость плавления железного скрапа.

Если бы твердый металл нагревался в пустой печи, то скорость его плавления, в основном, определялась бы скоростью подвода тепла. Однако твердый скрап, загру­жаемый на подину мартеновской печи, заливается рас­плавленным чугуном. В этих условиях по существу проис­ходит не плавление, а растворение скрапа в жидком чу­гуне.

Как было показано выше, скорость подобных процес­сов определяется величиной поверхности раздела твердое тело — жидкость, т. е. скорость плавления скрапа ω про­порциональна его поверхности S

ω = KS,

где К— коэффициент пропорциональности.

Так как объем тела пропорционален третьей степени его линейного размера, а площадь —второй, то между массой скрапа G и его поверхностью существует соотно­шение

S=aG^2/3

где а—постоянная величина, зависящая от геометри­ческой формы кусков скрапа и от его плотности.

По мере перехода скрапа в жидкое состояние величи­на поверхности S уменьшается и соответственно снижа­ется скорость плавления. В каждый данный момент вре­мени скорость плавления пропорциональна поверхности нерасплавившегося к этому моменту скрапа.

ω = Ka(100—х)^2/3

Уравнение подтверждается данными, полу­ченными при определении скорости плавления скрапа в мартеновских печах. Такие определения стали воз­можны благодаря применению искусственных радиоак­тивных изотопов (радиоактивных индикаторов), с по­мощью которых появилась возможность взвешивать жидкую сталь в печи. Способ основан на том, что некото­рое определенное, но ничтожное по массе количество ра­диоактивного вещества (например, радиоактивного ко­бальта) растворяют в сравнительно небольшом количест­ве жидкого железа, масса которого Go известна. От это­го раствора отбирают пробу и измеряют интенсивность исходящего радиоактивного излучения i_о. Если то же самое количество радиоактивного вещества растворить в большем объеме жидкого металла, например в ванне мартеновской печи, то измеряемая радиоактивность пробы металла i₁ станет намного меньше, чем i_о вследствие разбавления. Величина i₁ во столько раз мень­ше i_о, во сколько G₀ меньше неизвестной массы металла G₁ которая подлежит определению, т. е.

i_1/ i_о = G_0/ G₁

Таким образом, введение в жидкую сталь радиоактив­ного изотопа позволяет судить об увеличении ее массы по ходу плавки и тем самым о скорости плавления скрапа. Это осуществляется путем отбора проб стали из печи через определенные промежутки времени. Радиоактивность по­следовательно отбираемых проб постепенно должна уменьшаться. Измерения показали, что скорость плавле­ния скрапа зависит как от тепловых нагрузок, так и от интенсивности перемешивания жидкого металла, опреде­ляемой выделением пузырей окиси углерода, т. е. зави­сит от скорости обезуглероживания.

3.8.3. Растворение газов и дегазация

Насыщение жидких металлов в процессе их выплавки азотом, водородом и другими газами может приводить к образованию пустот и раковин в слитках и к другим де­фектам готовой продукции.

Дегазация — процесс выделения азота из жидкой стали — может происходить во время ее «ки­пения» благодаря переходу азота из металлического раствора в объем пузырьков окиси углерода, где вели­чина p_N1 меньше, чем p_N2 при равновесии с азотом в ме­талле. Дегазация может также осуществляться при продувании стали инертными газами или при вакуумировании. В последнем случае, концентрация азота на поверхности металла С_н близка к нулю, скорость его удаления пропорциональна концентрации Со, уравнение принимает вид

lgC⁰₀/C ^τ ₀ =ßS/V τ