- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
- •Посвящается в.И. Явойскому
- •Глава 1
- •Глава 2
- •2.1 Кинетика гетерогенных высокотемпературных процессов и методы выявления их ведущего звена
- •2.2 Исследование процессов окислительного рафинирования имеющих место в производстве стали
- •2.3 Условия протекания окислительного рафинирования в сталеплавильных агрегатах
- •2.4 Реакция окисления углерода
- •Внутридиффузионный режим лимитирования процесса
- •2.7 Окислительные процессы в многокомпонентных расплавах на основе железа
- •2.10 Окисление серы
- •2.11 Деванадация
- •2.13 Современные представления о ходе процессов окислительного рафинирования расплавов на основе железа
- •Окислительное рафинирование в условиях современных сталеплавильных агрегатов
- •2.15 Характеристика и газодинамика кислородных струй сталеплавильных агрегатов
- •Форма и геометрические размеры реакционной зоны
- •Глава 3.
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Маcсоперенос примеси в экстрагирующей фазе
- •3.3 Сера в металле и его десульфурация
- •3.4 Кинетика процесса десульфурации металла
- •3.5 Кинетика десульфурации металла за счет твердых тел (порошкообразными десульфураторами)
- •Глава 4. Раскисление стали и неметаллические включения.
- •4.1 Кислород в стали и ее раскисление
- •4.2 Термодинамика раскисления
- •4.3 Кинетика осадочного раскисления
- •4.4 Плавление и растворение в металле вводимых раскислителей
- •4.5 Взаимодействие растворенного в металле кислорода с введенным в него раскислителем
- •4.6 Образование зародышей новой фазы продуктов раскисления в объеме жидкого металла
- •4.7 Рост образовавшихся продуктов раскисления
- •4.8 Удаление продуктов раскисления из сферы протекания этой реакции
- •4.9 Переход включений из металла в шлак или другие контактирующие фазы
- •4.10 Неметаллические включения в готовом металле
- •Глава 5 газы в стали
- •5.1 Взаимодействие азота и водорода с расплавленным и охлаждающимися сплавами железа
- •5.2 Термодинамика взаимодействия азота с расплавами на основе железа
- •5.3 Методы изучения взаимодействия азота с металлами
- •5.4 Кинетика растворения азота в железе и его сплавах
- •Глава 6 поведение водорода в сплавах на основе железа
- •6.1 Некоторые особенности взаимодействия водорода
- •Со сплавами на основе железа
- •6.2 Природа газообразного водорода и взаимодействие его с металлами
- •6.3 Термодинамика сорбирования водорода расплавленными и твердыми сплавами железа
- •6.4 Кинетика растворения и выделения водорода из расплавов на основе железа
- •6.5 Состояние водорода в готовой стали его влияние на механические свойства стали и распределение водорода в металле
- •6.6 Поведение водорода при выплавке металла и при его внепечной обработке
- •Глава 7 основы обработки стали в ковше
- •7.1 "Внеагрегатная" или "ковшевая" обработка стали
- •7.2 Вакуумирование металла
- •7.3 Применение инертных газов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
4.3 Кинетика осадочного раскисления
Изучение кинетики процессов раскисления представляет большие трудности, поскольку с ней тесно связаны вопросы формирования продуктов раскисления, удаления их из расплавленного металла, поведения их в твердом металле в процессе его охлаждения, пластической деформации и службы металлических изделий и т.п. Таким образом, кинетика осадочного раскисления является составной частью проблемы "неметаллических включений в стали".
Процесс раскисления и растворение раскислителей в металле проходит через следующие этапы:
-
Плавление и растворение раскислителей в металле;
-
Акт химического взаимодействия кислорода, растворенного в металле, с введенными в него раскислителями;
-
Образование продуктов раскисления - зародышей новой фазы в объеме жидкого металла;
-
Рост образовавшихся зародышей продуктов раскисления (их коалесценция, коагуляция или агломерация - укрупнение за счет спекания):,
-
Удаление за счет всплывания и переход включений из металла в другую, контактирующую с ним жидкую, а иногда и твердую фазу.
Сложность всех этих процессов и широкое разнообразие факторов, оказывающих большое, а иногда и решающее влияние на кинетику той или иной из этих стадий оправдывают огромное количество исследований, посвященных неметаллическим включениям в стали. Вопрос усложняется еще и тем, что в процессе охлаждения жидкого металла и его кристаллизации происходит ряд дополнительных явлений, определяющих образование новых включений, видоизменение ранее уже существовавших, формирование многофазных включении и т.п. Большое значение имеет еще и то, что на химический состав, физические свойства, размеры и поведение отдельных включений решающее влияние часто оказывают весьма различающиеся микролокальные условия, а именно отклонения от среднего химического состава металла, температуры, гидродинамических ситуаций и т.п.
Все эти особенности невозможно предусмотреть или учесть. Поэтому большинство из правил или закономерностей, установленных на основе положений физической химии, учений о массо- и теплопереносе в расплавленном металле и т.п. не является всеобщими и исключающими всевозможные, иногда даже многочисленные отклонения, частичные, а иногда и значительные нарушения научных прогнозов и предположений. Сложность вопроса усугубляется тем, что для суждений об образовании и поведении каждого конкретного включения необходимо знать и количественно оценить целый ряд локальных условий и определяемых ими явлений. Поскольку такой подробный анализ в рамках настоящей работы невозможен, ограничился здесь рассмотрением лишь общих вопросов кинетики процессов раскисления стали.
4.4 Плавление и растворение в металле вводимых раскислителей
Плавление присаживаемых в металл раскислителей лишь в редких случаях, например, при использовании низкопроцентных слабых раскислителей, может заметно повлиять на скорость процесса раскисления. В современных условиях обычно раскисляется сталь, нагретая до температуры, определяемой условиями разливки. Это значит, что раскислитель - в том числе и раскислящие ферросплавы, имеет температуру плавления значительно ниже, чем температура подготовленной к раскислению стали. Кроме того, раскислители, в особенности сильные, обычно вводят в металл в форме относительно мелких кусков. Все это обеспечивает плавление раскислителей в течение очень короткого промежутка времени (нескольких секунд). Более длительное время требуется для распределения элементов-раскислителей в металле и выравнивание его состава во всем объеме.
Обычно здесь имеет место только замедленное конвективное движение и массоперенос раскислителей можно оценить как чисто диффузионный. Следует отметить, что значения коэффициентов диффузии и энергии активации процесса диффузии в таких "высокотемпературных" жидкостях, как расплавленное железо, очень различаются и в общем недостаточно надежны. Некоторые из этих данных [4] представлены в таблице 10, откуда видно, что коэффициент диффузии разных компонентов в расплавах на основе железа (при температурах 1550-1700 oC) колеблется в пределах 10–5- 10–4 см2/сек. Для кислорода он несколько ниже, чем для элементов-раскислителей, очевидно вследствие образования растворенным кислородом группировок Fе-0, которые и представляют собой элементарную единицу массопереноса, в частности диффузии. Коэффициент диффузии такой укрупненной элементарной единицы, при прочих равных условиях определяется по уравнению Стокса-Эйнштейна [24].
Таблица 10 – Коэффициент диффузии и энергия активации процесса диффузии в железе
Диффундирующий элемент |
Температур-ный интервал, С |
Еакт, ккал/моль |
Температура t, С |
Dt105, см2/с |
Al |
1550-1700 |
– |
1595 |
1,55 |
O |
1550-1680 |
12,0 |
1550 |
12,2 |
Mn |
1550-1700 |
16,8 |
1680 |
15,2 |
Si |
1550-1650 |
10,2 |
1600 |
5,1 |
Ca |
1500-1700 |
49,5 |
1550 |
4,6 |
La |
1500-1700 |
45,0 |
1550 |
5,1 |
Ti |
1550-1700 |
50,6 |
1550 |
7,55 |
Zr |
1550-1700 |
– |
1550 |
18,8 |
C |
1550-1700 |
11,02-16,0 |
1700 |
4,6-19 |
S |
1560-1670 |
8,6 |
1550 |
4,5 |
P |
1260-1450 |
11,33-31,02 |
1430 |
1,9-11,0 |
В процессе плавления кусков вводимых раскислителей вокруг них создаются объемы с относительно высокими их концентрациями. Это обусловливает образование в таких участках включении - продуктов раскисления, неравновесных со всем остальным металлом, которой часто не успевает придти в равновесие с металлом, еще остающимся в жидком состоянии. Об этом свидетельствуют, например, включения почти чистой тугоплавкой МпО (tпл=1690 °C), равновесные только с высокомарганцовистыми сплавами. Однако они иногда встречаются даже в сталях, содержащих 0,4-0,3 % Мп. Или почти чистые кварцевые включения, наблюдаемые иногда даже в полуспокойной стали (0,05-0,08 % Si), которые равновесны при t=1550-1600 С только с металлом с содержанием кремния [Si]>0,15-0,25 %.