CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2001 р.
Вип. №11
УДК 669.046:53.082
Чичкарев Е.А1, Захарова И.В2..
РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕРЫ МЕЖДУ МЕТАЛЛОМ И ШЛАКОМ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА И ДУГОВОЙ СВАРКИ
ПОД ФЛЮСОМ
Показана применимость методики расчета сульфидной емкости, базирующейся на концепции оптической основности, для оксидно-фторидных шлаков электрошлакового переплава и дуговой сварки под флюсом. Результаты расчета удовлетворительно согласуются с опубликованными экспериментальными данными
Расчет серопоглотительной способности с использованием оптической основности применим для широкого круга шлаков [1-3], в т.ч. для оксидно-фторидных флюсов электрошлакового переплава (ЭШП) с высоким содержанием СаБ2 [3-7], применяемых как при электрошлаковом переплаве, так и дуговой сварке под флюсом. Для оценки адекватности методики расчета и определенного ранее значения оптической основности СаБ2 [3] проведено сопоставление результатов термодинамического расчета коэффициентов распределения серы между расплавами на основе железа и оксидно-фторидными шлаками различного состава с экспериментальными данными [8] и [9].
При сварке с фтористо-кальциевым флюсом десульфурация металла шва происходит вследствие перехода серы в шлак и зависит главным образом от его основности. Однако примеры количественного расчета распределения серы между металлом и многокомпонентным сварочным шлаком, особенно со значительным содержанием СаБ2 , в литературе практически отсутствуют. Исключение составляет работа [9], но использованная в ней теория регулярных ионных растворов позволяет лишь построить корреляцию фактического коэффициента распределения серы и соотношения активностей СаО и БеО сварочного флюса.
Для условий ЭШП расчет распределения серы между металлом и флюсом, основанный на корреляции его сульфидной емкости и оптической основности, является, по оценке [6,7], единственно доступным.
Сульфидная емкость шлака и равновесный коэффициент распределения серы связаны соотношением [1-3]:
где С8, С.,' - сульфидная емкость шлака (Сэ = (8) • (Р0 /Р,; )'2 ; С'э = (8) • (а[0] /а[3] ) ; Се = С'з/К03); (8) - концентрация серы в шлаке, %; Р02, Р:;: - парциальные давления 02 и 82 соответственно; а[0] , ар] - активности кислорода и серы в металле; Кг д - константа равновесия реакции :
Ья = (%8)/а[$] = Ся' /а[о] ,
(1)
откуда :
/£ Ьэ = /£ (3)/а[8] = /£К05 + ^Сэ - /£ а[0].,
(2)
[8]+1/2{02}= [О] + 1/2{82}. Для многокомпонентной шлаковой системы [1]
= ( 22690 - 54640- А)/ Т + 43.6 ■ А- 25.2,
где
(3)
(4)
ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преп. ГТГТУ, ассистент
- эквивалентная катнонная доля \ - го компонента; Л - оптическая основность шлака, Л! -оптическая основность \ - го компонента.
Для основных компонентов доменных и сталеплавильных шлаков значения Л! [1-4] приведены в таблице.
Таблица - Оптическая основность компонентов сталеплавильных шлаков.
Компонент СаО мёо А120з ЙОз МпО БеО СаБ2 тю2*
Оптическая основность 1.0 0.78 0.605 0.40 0.98 1.0 0.76...0.7 9 0,6
- оптическая основность ТЮ2 рассчитана по корреляции оптической основности и электроотрицательности элементов (см. [1]).
Эквивалентные катионные доли компонентов шлака можно рассчитывать по уравнению [3,4], учитывая отрицательный заряд ионов Б :
X =
Лг,.
(6)
200
где Хг - катионная доля ¡-го компонента; Л', - число молей / - го компонента в 100 г шлака; Д -заряд катиона; пСа, - число катионов в молекуле; п()„ пр - число атомов кислорода и фтора в
молекуле.
В серии лабораторных экспериментов [8] плавки проводились в графитовых тиглях в атмосфере СО, что дало возможность стандартизировать условия эксперимента и позволило избежать изменения коэффициента распределения серы вследствие изменения состава металла. Распределение серы между металлом и шлаком характери-
г '
зовалось величиной Ь3 = — (/л- -
/х
коэффициент активности серы в металле). Расчет проводился по составу металла, основываясь на значениях параметров взаимодействия первого и второго порядка, приведенных в [10,11]. В состав шлаков входили СаО, СаБ2 и А1;0 ; в разных соотношениях. В ходе обработки данных [8] ко-
50 100 150 200 250 300 350
I* фи .'ШЧ
Рих1 - Согюставлешс эюперишнтапьньки расчешых данньк по распределению серы нежду насыщенным углеродом железом и платами СаО-СаР2-АЬОз
-Ьз расчета. = 15 факгич.
Ьврасчеш.
эффициент распределения серы рассчитывался по уравнениям (2)-(5), а окисленность металла - по равновесию реакции:
[С.]+[0] = {СО} (7)
с использованием термодинамических данных [10, 11] по растворимости и раскислительной способности углерода в жидком железе. Результаты расчета для шлаков системы СаО-СаР2-АЬОз, содержащих до 95 % СаР2, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными (см. рис.1; в расчетах принималось АСаР^ = 0,77).
Однако для шлаков, содержащих значительное количество СаО и менее 22 % А1203, результаты расчета заметно (в 2...3 раза) превышают полученные в эксперименте значения. Расхождение можно отнести за счет того, что для активных высокоосновных шлаков равновесие с
о
10
30
20
Ьз фактич.
Рис.2 - Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчета коэффициента распределения серы для условий ЭШП
40
- Ls расчеты = Ls фактич.
Ls расчетн
металлом не достигалось (для этих шлаков фактический коэффициент распределения серы достигал значений Ь3факт=400... 500).
Сопоставление экспериментальных данных [8] для реальных условий электрошлакового переплава и результатов расчета распределения серы приведено на рис.2.
В работе [8] переплав расходуемых электродов армко-железа производили в лабораторной дуговой печи с водоохлаждаемым кристаллизатором диаметром 100 мм под флюсами различного состава. Масса получаемого слитка составляла 12-15 кг. Содержание FeO в конечном шлаке варьировалось в пределах
0,86... 1,44%, поэтому окисленность металла на границе раздела со шлаком рассчитывали по условиям равновесия (аналогичный расчет использован в [4] для шлаков внепечной обработки): (FeO)=Fe+[OJ. (8)
Для плавок с известным содержанием FeO в шлаке экспериментальные и расчетные результаты удовлетворительно согласуются.
В экспериментах [9] для определения влияния состава шлака на содержание серы в наплавленном металле использовали электроды YOFIH-13/55 и АНО-11 диаметром 4 мм. Состав покрытия изменялся за счет варьирования содержания волластонитово-го концентрата в покрытии за счет кварцевого песка и железного порошка (У О НИ-13/55). либо рутила и железного порошка (АНО-11). Содержание плавикового шпата, СаСОз (мрамора), раскислителей и легирующих элементов было постоянным. Покрытие наносили на стержни из стали Св08 (0.4% Мп, 0,10% Si, 0,075% С, 0,038% S, 0,018% Р). Сваривали пластины из стали ВСтЗсп валиками из 8 слоев на токе 180 А (полярность обратная), напряжение на дуге 22...24 В.
Расчет коэффициента распределения серы между металлом шва и сварочным флюсом производился по уравнениям (4)...(6). Равновесную окисленность металла на границе раздела со шлаком определяли по условиям равновесия (8). Для расчета активности FeO в шлаке использовали теорию шлака как системы с коллективизированными электронами [10,11]. Температура жидкой ванны в сечении источника нагрева лежит в пределах 1932...2280° [12]. Для расчета распределения серы среднюю температуру принимали равной 1750 °С (среднее значение по времени существования ванны в данном сечении от максимальной температуры до за-
3 1 2 3 4 5
Ьэ (эксперимент)
Рис.3 - Сопоставление экспериментальных данных [9] по десульфу рации металла шва сварочным флюсом и результатов расчета с использованием корреляции оптической основности и сульфидной емкости шлака
Ьк (расчет)
Линия равных значений ((расчст)=Ьк(факт))
твердевания металла). Сопоставление результатов расчета и экспериментальных значений Ls приведено на рис.3. Учитывая приближенную оценку средней температуры сварочной ванны, соответствие результатов можно признать удовлетворительным.
Выводы
Расчеты распределения серы между расплавами на основе железа и оксидно-фторидными флюсами электрошлакового переплава или дуговой сварки, содержащими значительное количество CaF2, могут проводиться по методике, основанной на корреляции сульфидной емкости шлака и его оптической основности. Сопоставление результатов расчета и опубликованных экспериментальных данных свидетельствует об их удовлетворительном согласии.
Перечень ссылок
1. Соммервилъ ИД. Измерение, прогноз и применение емкостей металлургических шлаков // Инжекционная металлургия' 86: Труды конференции - М.: Металлургия, 1990 . - С. 107-120.
2. Use of Optical Basicity Concept for Determination Phosphorus and Sulfur Slag-metal Partitions / R.W. Young, J.A.Duffy, C.J.Hasal, Z.Xu// Ironmaking & Steelmaking. - 1992. - vol.19 - № 3 -P.201-219.
3. Чичкарев E.A., Полозюк O.E. Расчет сульфидной емкости оксидно-фторидных шлаков // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 2000. - Вып. 9,- С.64-67.
4. Пославская Т.П., Полозюк О.Е., Калистый И.А. Процессы десульфурации стали в ковше оксидно-фторидными шлаками. / Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1999,- Вып. 8. - С.57-59.
5. Магидсон И. А. Расчет оптической основности CaF2 в шлаках.// Изв. вузов. Черная металлургия. - 1990. -№5. -С.4-5.
6. Магидсон И.А., Смирное Н.А., Басов А.В. Сульфидная емкость и оптическая основность рафинировочных шлаковых расплавов// Изв. вузов. Черная металлургия. - 1996. - №7. - С.8-13.
7. Смирное Н.А., Магидсон И.А., Разина М.Г. Расчетный метод определения сульфидной емкости рафинировочных шлаков// Изв.вузов. Черная металлургия. - 1997. - №5. - С.3-7.
8. Серопоглотительная способность фторсодержащих шлаков / Жмойдин Г.И., Молдавский О.Д., Глушкова Е.В. и др. // Известия АН СССР. Металлы. - 1966. - № 3. - С.42-49.
9. Макаренко В.Д., Шатило С.П. Повышение десульфурации металла сварных швов нефтепроводов. // Сварочное производство. - 1999. - № 6. - С. 18-23.
10.Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов. / Григорян В.А., Стома-хин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. - М.: Металлургия, 1989. - 288 с.
11 .Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов.-М.Металлургия, 1988.-288 с. 12. Расчетный метод исследования температурного поля при многослойной сварке / Ларионов В.П., Павлов А.Р., Аммосов А.П. и др. // Автоматическая сварка. - 1981,- № 4. - С.16-18.
Чичкарев Евгений Анатольевич. Канд. техн. наук, ст. препод, кафедры ТМП, окончил Московский химико-технологический институт им. Д.И.Менделеева в 1987 г. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии внепечной обработки и разливки стали, термодинамика и кинетика сталеплавильных процессов.
Захарова Ирина Вячеславовна. Аспирант кафедры оборудования и технологии сварочного производства, окончила ПГТУ в 1997 г. Основные направления научных исследований - исследование дефектов в околошовной зоне сварных соединений.
Статья поступила 27.02.2001.
