CC BY
32
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. № 12
УДК 669.18
Чичкарев Е.А.1, Троцан А.И.2, Казачков Е.А.3, Рудакова С.Г.4
БАРБОТАЖНОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ И МЕХАНИЗМ УСВОЕНИЯ КАЛЬЦИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ В КОВШЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
Предложен механизм усвоения кальция при обработке стали порошковыми проволоками, учитывающий барботажное перемешивание расплава всплывающими пузырьками паров Са. Результаты расчета степени усвоения согласуются с опубликованными экспериментальными данными. Показано, что при обработке расплава порошковой проволокой с кальцийсодержащим наполнителем режим ввода должен обеспечивать лишь ее полное расплавление ниже уровня испарения кальция, и нет необходимости в достижении концом проволоки дна ковша.
Обработка кальцием применяется для изменения состава и морфологии оксидных и сульфидных включений. Превращение глинозема в жидкие алюминанты кальция играет ключевую роль в воздействии на жидкотекучесть расплавленной жидкой стали и механические свойства проката. Модифицирование включений легко осуществляется (особенно в сталях с низким содержанием серы) путем ввода порошковой проволоки (1111) с силикокальцием или алюмокальцием проволоки с расходом 0,15...0,25 кг Са/т. При более высоком расходе кальция (0,30...0,35 кг Са/т) происходит также и десульфурация стали. За счет ввода кальция достигается образование глобулярных включений, форма которых почти не изменяется во время горячей прокатки, что повышает изотропность механических свойств готового проката [1].
При обработке стали порошковой проволокой в стальковше обычно стремятся увеличить глубину, на которую она проникает до момента полного расплавления. В исследованиях [2-4] показано, что при постоянном диаметре 1111 и ёмкости ковша степень усвоения кальция из си-ликокальция существенно зависит от скорости ввода 1111. Для достижения максимальной степени усвоения Са скорость ввода 1111 должна быть достаточно высокой.
При разработке и оптимизации технологии обработки стали кальцием обычно не учитываются особенности массообмена в ковше. Например, в расчетах [5] оптимальной скорости ввода 1111 учитывается лишь влияние температуры металла на кинетику расплавления оболочки проволоки.
Однако в ходе обработки образуется дисперсная система «пузырьки паров Са - жидкая сталь», т.к. температура кипения жидкого кальция примерно на 100 К меньше температуры расплава в ковше. Давление паров кальция при различных температурах можно определить по формуле из работы [6] (давление выражено в Па):
lgPCa =-7999/Т + 9,549, (1)
а глубину (от поверхности расплава) испарения кальция - из соотношения:
h = {PCa-PaJ/{pcm-g), (2)
где Т - температура металла, РСа - давление паров Са; /'„„,,, - атмосферное давление; рст - плотность жидкой стали (принимается равной 7200 кг/м3); g - ускорение свободного падения. При увеличении температуры металла с 1550 до 1650 °С глубина испарения возрастает с 0,62 м до 2,04 м.
Всплывающие пузыри паров кальция перемешивают расплав, а циркуляционные потоки металла в барботируемом ковше могут оказывать значительное влияние на степень усвоения вводимых добавок. Поэтому анализ влияния взаимосвязи интенсивности ввода Са и условий
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
4 ПГТУ, аспирант
барботажного перемешивания всплывающими пузырями на степень усвоения кальция представляет несомненный интерес для оценки как оптимальной скорости ввода 1111, так и ее оптимального диаметра.
Для оценки интенсивности барботажного перемешивания в ковшах различной емкости широко используются упрощенные расчетные схемы [7, 8], требующие минимального объема эмпирических данных. Объем перемешиваемого металла можно условно представить состоящим из двух зон [8]: барботажной и возвратного течения.
Вследствие интенсивного дробления и слияния пузырей Са в барботажной зоне можно упрощенно считать постоянной их среднюю объемную долю ц/, рассчитываемую по уравнению из работы [9]:
¥ = l/((wm+u).KD2J 4), (3)
где I - объемный расход газа при температуре жидкости и среднелогарифмическом (по высоте ванны) давлении; и - средняя скорость смещения пузырей относительно металла, равная [7-9]:
u = yj0,5-g-d ; (4)
d - средний диаметр пузырей; /)„, - средний диаметр барботажной зоны; wm - средняя скорость металла в ней. На достаточном удалении от уровня испарения Са пузыри размером больше критического (5...6 см) могут дробиться, образуя окончательно характерные для жидкого
металла шаровые полости с d = 1...2 см [10-11].
Межфазная поверхность «пузырьки Са - металл» F определяется объёмной долей дисперсной фазы и её удельной поверхностью f = б/d :
F = 6n-D2-h -wlUd) (5)
т исп Т / \ / V /
где hucn - глубина испарения Са.
Поток Са от поверхности пузырей в объём металла составит: qCa=(3.Ac.F (6)
где Ас « с'""'" - движущая сила массопереноса; - коэффициент массопередачи, рассчитываемый из соотношения [12-13]:
Sh = l,U\Pef\ _ (7)
где Sh = ft ■ d ¡DCa ; Ре = и- d/DCa ; DCa - коэффициент диффузии Са; /? - коэффициент массо-
отдачи от поверхности пузыря вглубь металла. Коэффициент диффузии Са можно оценить по известным экспериментальным данным о диффузии элементов в жидком железе. В частности, коэффициент диффузии Si, по данным авторов [14-15], находится в пределах (2,4..4,0)*10 9 м2/с. Согласно уравнению Стокса - Эйнштейна
D = kTfon-r0-n), (8)
где /и - вязкость растворителя; г0 - радиус диффундирующей частицы. Следовательно, для диффузии Са и Si
^/^=^=0.594, (9)
где rca, rSl- атомные радиусы Са и Si соответственно (по [16], rSl=0.117 нм; гса=0.197 нм). Таким образом, для коэффициента диффузии Са можно принять оценку: Z)Cfl=(l-43..2.38)*10-9 м2/с( при 1600°С). Степень усвоения Са непосредственно после окончания ввода составит:
Г1са=Чса/^са, (Ю)
где GCa - расход кальция.
Среднюю скорость металла в барботажной зоне можно найти по аналогии с результатами [9] по исследованию циркуляционного течения металла в ковше при продувке инертным газом, учитывающими увеличение объемной доли газовых пузырей по мере увеличения расхода газа в единицу времени.
Учитывая несмешиваемость в жидком состоянии системы железо-кальций, можно оценить начальный диаметр барботажной зоны Z)™", применяя уравнение из работы [9] не для пу-
зырей Са или инертного газа, а для капель жидкого Са, плотность которых значительно меньше плотности железа, но выше плотности паров:
ДГ/А =1 + ^/8-((Ам-Йяа1)/А, -1/2), (11)
где - глубина проникновения проволоки в расплав; 1)г, - начальный диаметр зоны всплыва-ния капель Са; св - коэффициент, приближенно равный 1. Средний диаметр барботажной зоны определяют по аналогичному уравнению с учетом отсчета высоты от уровня испарения Са, т.е.
А./ЯГ =1 + ^/8-(йиси/(2^Г)-1/2). (12)
Усвоением кальция из капель можно в первом приближении пренебречь вследствие относительно малой удельной поверхности жидкого кальция по сравнению с газообразным. Даже при небольшом содержании кремния в каплях фазы Са-81 равновесная концентрация 81 в фазе железа и, следовательно, движущая сила массопереноса 81 будет достаточно высокой. Равновесное содержание кремния в фазе железа для этих условий легко найти, используя закон распределения. Коэффициент распределения кремния, найденным по результатам обработок диаграммы состояния системы Ре-Са-81 [17], равен ( при 1600 °С ):
£а=#ГМСв)=0.87, (13)
где -мольная доля кремния в фазе железа; - мольная доля кремния в фазе кальция.
Линейность сохраняется в широкой области концентраций силикокальция - до 40% масс. 81 в фазе кальция и 30% 81 в фазе железа. Путь капли, на котором достигается полное извлечение кремния, можно найти из приближенного соотношения:
рЯСа ■ V • /¿г = А, • /■' • [%як • РРе (14)
где рЯСа, рРе - плотности фаз расплава силикокальция и железа, К/' - средний объем и средняя поверхности капли силикокальция; /5т/са, /Л7/- содержание кремния в фазе силикокальция и в фазе железа на поверхности раздела фаз; - коэффициент массоотдачи кремния от поверхности раздела фаз в жидкую сталь. Расчетный путь практически полного (на 95 %) усвоения кремния не превышает 0,3... 0,5 м.
Однако следует учитывать и возможное повышение растворимости кальция в фазе железа за счет высокой концентрации кремния. Расчет усвоения кальция из капель сплава с учетом изменения растворимости кальция в фазе железа с переменным содержанием кремния показал, что вследствие экспоненциального снижения концентрации кремния движущая сила усвоения кальция также быстро снижается, и трудно ожидать усвоения кальция из жидкой фазы свыше 4-5 % его исходного содержания.
Для расчета глубины проникновения 1111 в расплав можно использовать тепловую модель ее плавления. При продольном обтекании одиночного цилиндра кривизна поверхности сказывается на формировании гидродинамического и теплового пограничного слоев незначительно [18,19], поэтому поверхность ПП обычно рассмативается как пластина, омываемая вынужденным потоком жидкости.
Таким образом, для турбулентного обтекания проволоки жидким металлом применимо известное уравнение из работ [18,19]:
1Чи=(0.38...0,46)Ре0 65 (15)
где Ре=м>-1/а - критерий Пекле; 7-705<^е<2-705; а=А/(ср) - температуропроводность жидкои стали; м> -скорость ввода; I - «эффективная» длина погруженной части проволоки; Ыи =а-1/Л
- критерий Нуссельта; X - теплопроводность жидкой стали; а - коэффициент теплоотдачи. Эффективную длину проволоки принимают кратной диаметру (в [3,4,9] 1=10 с1пров), т.к. в реальных условиях ввода поток металла направлен под углом к оси проволоки.
Для 1111 с силикокальцием (толщина оболочки 8=0,4 мм) зависимость времени полного расплавления от условий ввода описывается соотношением [20]:
тш=1А62с10Л55/д0^ . (16)
Совместное использование уравнений (15)...(16) позволяет найти глубину проникновения проволоки в расплав с учетом эмпирического коэффициента искривления траектории ктр (принимался равным 0,7... 0,8):
Представленный подход позволяет оценить степень усвоения введенной ПП для обработки стали кальцием в зависимости от линейной плотности ее наполнения и скорости ввода проволоки в расплав с учетом эффекта перемешивания расплава в ковше за счет барботирования пузырьков паров.
Результаты расчета степени усвоения кальция при вводе порошковой проволоки в ковш емкостью 140 т в зависимости от скорости ввода ПП и расхода Са показаны на рис. Расчет выполнен для условий экспериментов работы [4], в которых металл в ковше обрабатывали порошковой ленты 16x7,5 мм, наполненной силикокальцием. Кри вая 1 рассчитана при условиях Ыи = 0,46 • Ре0,65, 0Са=210"9 м2/с; кривая 2 - при условиях N11 = 0,38 • Ре°'0}, Р>са=410~9 м2/с, из жидких капель усваивается дополнительно 5 % Са.
Максимальное усвоение кальция соответствует скорости ввода 1111, при которой наполнитель освобождается ниже уровня его испарения, однако его секундный массовый расход обеспечивает лишь умеренное по интенсивности перемешивание. Так, расчетная глубина проникновения ленты, вводимой со скоростью 2...3 м/с (максимальная степень усвоения на рисунке) не превышает 1,4... 1,6 м (с учетом вероятного искривления траектории).
Время гомогенизации металла в ковше при барботажном перемешивании рассчитывали по формуле из работы [8]:
Г„/ = Гс-1п(100//), (18)
где /„„ - время, необходимое для того, чтобы в двух пространственно разделенных точках ковша разность концентраций введенной в систему «метки» снизилась до уровня / % (в расчете принято /=5 %) от ее средней концентрации в объеме; !с - время циркуляции, равное !с = У/1 ; V — объем жидкости в перемешиваемой ванне; /,„.- объемный циркуляционный расход металла. Так как при вводе кальция в ковш глубина испарения не превышает двух метров, расчетное время гомогенизации оказывается довольно большим - не менее 120 с при скорости ввода проволоки 5 м/с (расход Са - 274 г/с; расчет для ковша емкостью 350 т) и резко возрастает при уменьшении глубины проникновения ПП в расплав.
Анализ барботажного перемешивания при обработке стали кальцием в ковше обнаруживает очевидную причину заметно худшего усвоения кальция при его вдувании в потоке инертного газа. Эта технология сама по себе обеспечивает циркуляцию металла, интенсивность которой увеличивается с ростом массового расход сплавов кальция. Это приводит к выносу на поверхность паров кальция и возникновению пироэффекта.
Выводы
1. Уточнен механизм массообмена при обработке жидкой стали кальцием в ковше. Показано, что барботажное перемешивание содержимого ковша пузырями паров кальция может заметно влиять на его усвоение и распределение в ковше.
2. Проведен расчет степени усвоения кальция из пузырей паров с учетом барботажного перемешивания в условиях ввода силикокальция порошковой проволокой. Показано, что результаты расчета согласуются с известными экспериментальными данными.
3. Расчетным путем установлено, что при обработке стали порошковой проволокой с кальций-содержащим наполнителем режим ввода должен обеспечивать лишь ее полное расплавление на 0,3...0,5 м ниже уровня испарения кальция, и нет необходимости в достижении концом проволоки дна ковша.
о 2
°с
г сР —-%
0 1 2 3 4 5 6 Скорость ввода, й)
Р ис. - 3 ависиметь стешшусвоешя кальция сг скорости ввода шражевей грсвотаси
—а— 1 —■—2 о Эксп. данные [8]
Перечень ссылок
1. Туркдоган Е.Т. Металлургические последствия усвоения кальция жидкой и затвердевшей сталью // Обработка стали кальцием. - Киев: ИЭС им. Е.С.Патона - 1989 - С. 19-44.
2. Банненберг П., Харсте К, Боде О. Поведение проволоки с порошковым наполнителем в процессе расплавления // Черные металлы. - 1992 - №12. - С.25-33.
3. Дж.Робинсон. Обработка в ковше введением проволоки из металлического кальция, плакированного сталью // Инжекционная металлургия'83- М.:Металлургия. 1986 - С. 365-378.
4. Применение силикокальциевой порошковой проволоки в фирме "Топи индастриз"/ Исихара К, Суда О., Мацубара К. и др.// Обработка стали кальцием,- ИЭС им. Е.О.Патона - 1989-С.88-107.
5. Оптимизация режима ввода порошковой проволоки в жидкую сталь. / Кисиленко В.В., Онищук В.П., Дюдкин ДА. и др. // Металл и литье Украины. - 1999. - № 13-14. - С. 17-20.
6. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. - М.: Металлургия, 1988. -272 с.
7. Охотский В.Б. Модель смешения при продувке стали в ковше.//Металлы.-№4.-2000,- С.3-6.
8. Сано М., Мори К. Модель циркуляционного течения в расплавленном металле для специального случая барботажа ванны и ее применение к процессам инжектирования газа // Инжекционная металлургия'83: Труды конференции. - М.: Металлургия, 1986. - С. 124-134.
9. Казачков Е.А., Рудакова С.Г. Моделирование процессов выравнивания температуры металла и содержания легирующих добавок в металле при продувке инертным газом //Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту,- 36. наук. пр. - Мар1уполь, 2001,- Вип.№ 11 - С.55-60.
10. Охотский В.Б. Барботаж сталеплавильной ванны. Процессы переноса. // Изв. вузов. Черн. мет-я. - 1993. - № 3. - С.5-8.
11. Охотский В.Б. Барботаж сталеплавильной ванны. Расчеты размеров пузырей и некоторых параметров зоны барботажа при вдувании газа в металл. // Изв.вузов.Черн. мет-я.-1993.-№2,-С. 14-16.
12. Асаи Ш., Каваи М., Мучи И. Скорость массопереноса в процессах ковшевого рафинирования // Инжекционная металлургия' 83,- М.:Металлургия, 1986,- с. 106-124.
13. Шервуд Е., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. - М.: Химия, 1982 - 655с.
14. Вильсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1972. - 248с.
15. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов / Григорян Е.А., Стомахин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. - М.: Металлургия, 1989 - 288 с.
16. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Л.: Химия,- 1978. - 392 с.
17. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: Справ, изд. /Банных О.А., Будберг А.Б., Алисова С.П. и др. - М.: Металлургия, 1986 - 440 с.
18. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.: Энергоатомиз-дат, 1990. - 366с.
19. Жидкометаллические теплоносители / В.М.Боришанский, С. С.Кутателадзе, Н.И.Новиков и др. - М.: Атомиздат, 1967. - 300с.
20. Чичкарев Е.А. Оптимизация процессов раскисления и микролегирования конструкционных сталей порошковыми проволоками с алюминием и кальцием: Автореф. канд. дис. Канд-техн.наук. - Мариуполь, 1998. - 16 с.
Чичкарев Евгений Анатольевич. Канд.техн.наук, окончил Московский химико-техноло-гический институт им. Д.И.Менделеева в 1987 г. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии внепечной обработки и разливки стали, термодинамика и кинетика сталеплавильных процессов.
Троцан Анатолий Иванович. Д-р. техн. наук., проф., зав. отделом ИПМ НАЛУ, зав. кафедрой литейного производства ПГТУ; окончил Донецкий госуниверситет в 1968 г. Основное научное направление - разработка теоретических и технологических основ повышения качества стали за счет микролегирования и термообработки.
Казачков Евгений Александрович. Д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки Украины, заведующий кафедрой теории металлургических процессов, оакончил Московский институт стали и сплавов в 1949 г. Основные направления научных исследований - физико-химические и теплофизические основы новых перспективных процессов выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали.
Рудакова Светлана Григорьевна. Аспирант кафедры теории металлургических процессов, окончила Приазовский государственный технический университет в 1998 году. Основные направления научных исследований - физическое и математическое моделирование тепловых и гидродинамических процессов ковшевой металлургии.
Статья поступила 05.04.2002.
