Новый взгляд на градиенты концентраций элементов в сталеплавильной ванне металла Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2013р. Серія: Технічні науки Вип. 27

ISSN 2225-6733

МЕТАЛУРГІЯ СТАЛІ

УДК 669.15-194

© Скребцов А.М.1, Кузьмин Ю.Д.2, Терзи В.В.3, Секачев А.О.4, Качиков А.С.5

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ГРАДИЕНТЫ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ВАННЕ МЕТАЛЛА

Предложена формула для вычисления градиентов концентрации элементов и температур по высоте сталеплавильной ванны в безразмерных процентах на метр её глубины. По формуле обобщены литературные данные по этому вопросу.

Ключевые слова: жидкая сталь, безразмерные концентрации элементов и температур.

Скребцов О.М., Кузьмін Ю.Д., Терзі В.В., Секачов О.А., Качіков О.С. Новий погляд на градієнти концентрації елементів у сталеплавильній ванні металу. Запропонована формула для обчислення градієнтів концентрації елементів і температур по висоті сталеплавильної ванни у безрозмірних відсотках на метр її глибини. По формулі узагальнені літературні дані з цього питання.

Ключові слова: рідка сталь, безрозмірні концентрації елементів і температур.

О.М. Skrebtsov, U.D. Kuzmin, V. V. Terzie, O.A. Sekachov, О.S. Kachikov. A new view on the gradients of concentration of elements in steel-smelting bath of metal. A formula is offered for the calculation of gradients of concentration of elements and temperatures on the height of steel-smelting bath in dimensionless percents per of its depths. According to the formula literary data are generalized regarding this question.

Keywords: liquid steel, dimensionless concentrations of elements and temperatures.

Постановка проблемы. Известно, что при выплавке стали сплав неоднороден по температуре и его химическому составу по элементам (C, S, P, Si, Mn, Ni и т. д.). Поэтому актуальной является проблема обобщения разрозненных литературных данных по этому вопросу с целью разработки новых количественных характеристик такого явления и учета его при выплавке стали.

Анализ последних исследований и публикаций. В работе [1] при выплавке металла в дуговых электропечах отбирали пробы на разной глубине ванны в середине окислительного и восстановительного периодов и анализировали их на содержание следующих элементов: C, S, P, Mn, Cr, O, N. В работе [2] провели опыты в 70 - т основной мартеновской печи с отбором проб металла на разных горизонтах ванны с последующим химическим анализом их на элементы: C, S, P, Mn, О. В публикации [3] основное внимание уделено градиентам температур в ваннах мартеновских печей. Автор нашел эмпирическую зависимость между градиентом концентрации углерода (АС) и градиентом температуры (grad t) по высоте ванны АН.

При описании опытов по определению градиентов концентраций (неоднородностей) элементов разные авторы используют различный подход к этому явлению. Так, например, в работе [1] применяется выражение АП/ L, где П - примесь (C, N, O и др.), а L - расстояние между точками отбора проб металла. Недостаток этого подхода - используется только абсолютное значение АП. При этом относительное значение АПотн по сравнению со средним значением АПср для

1

2

3

4

5

д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь ст. преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь

13

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2013р. Серія: Технічні науки Вип. 27

ISSN 2225-6733

разных элементов может быть разным. Это не дает возможность сравнивать экспериментальные данные различных авторов.

В работе [2] приводятся зависимости между концентрациями углерода [С] и кислорода [О] в металле; приведены также произведения концентраций [С] • [О] в зависимости от значения [С]. Экспериментальные данные по градиентам концентраций других элементов (Mn, P, S) не обсуждаются.

АС

В работе [3] приведен показатель — в абсолютных значениях величин, не приводят эти

Дгз

числа значений к безразмерному виду.

В работе [4] опыты провели в 500 - т мартеновских печах с отбором проб на разных горизонтах ванны.

Цель статьи - обобщить литературные данные по градиентам концентраций элементов по высоте сталеплавильной ванны.

Изложение основного материала. Для обобщения литературных данных по градиентам концентраций элементов (grad х) по высоте ванны в настоящей работе предложили следующую формулу вычисления относительной неоднородности:

grad х = —-----

Сср

100.і 5

АН зі

где

■Ё, С л, Сор. соответственно, концентрации элемента в верхней, нижнеи частях ванны и также среднее ее значение;

Л И - расстояние между уровнями отбора проб в печи, м.

Преимущества предложенной формулы заключаются в том, что она имеет только одну размерную величину ЛИ, м. Концентрации элементов в формуле выражены в безразмерных процентах. Поэтому вычисленные по этой формуле величины можно сравнивать для разных плавильных агрегатов.

В работе [1] в 10 - , 40 - и 100 - т дуговых электропечах с глубиной ванны металла соответственно 470, 750 и 1200 мм нижнюю пробу отбирали на расстоянии 200 мм от подины печи. В тех же печах верхняя проба была соответственно расположена на расстоянии 450, 600, и 1050 мм от подины.

В каждой точке по всем печам отбирали по 3-4 пробы. Из значений концентраций элементов в точке вычисляли их среднее значение.

На рисунке приведены значения средних относительных концентраций элементов grad х, %/м, для электропечей различной емкости. При положительном градиенте концентраций примесей больше в верхнем слое металла по сравнению с нижним, а при отрицательном - меньше.

Авторы работы [1] утверждают в своей статье, «что такие примеси, как C, Mn, Cr, S, P равномерно распределяются в кипящем металле в 10 - 100 т. электропечах». Представленный рисунок не согласуется с этим выводом авторов работы [1]. Так, например, в окислительный период для печей разной емкости градиенты концентраций кислорода и азота всегда положительны. Градиент концентраций углерода отрицателен для 10 - т печи и положителен для 40 т и 100 т. печей (поз. а на рис.), сера в 40 т печах имеет нулевой градиент концентраций, в 10 т и 100 т - отрицательный (поз. г на рис.). Отрицательные градиенты во всех печах имеют Cr, P, Mn (поз. д, е на рис.). Градиенты концентраций серы и хрома (поз. г, д на рис.) для всех печей отрицательны. Для углерода в 10 - т печи градиент концентраций положителен, а для других печей - отрицателен.

В работе [2] пробы металла в 70 - т мартеновской печи отбирали в верхней и нижней частях ванны, расстояние между точками отбора проб составляло 0,5 м. Средние значения grad х для углерода, кислорода, серы, фосфора и марганца, вычисленные по выше приведенной формуле, составили, соответственно, +7,6 %/м (8 проб), +33,9 %/м (6 проб), +41,4 %/м (5 проб), +7,4 %/м (10 проб), +6,1 %/м (14 проб). Сравнение этих значений с данными рисунка показывает, что результаты изучения grad х по углероду и кислороду совпадают по порядку величины. Это подтверждает один и тот же механизм окисления углерода в электро- и мартеновских печах. Такой вывод нельзя сделать по зависимостям для серы, фосфора и марганца. Видимо, поведение этих примесей в электро- и мартеновских печах отличается друг от друга.

В работе [4] пробы металла отбирали на трех уровнях по высоте ванны 500-т мартеновской печи - первую, - в подшлаковом слое и на расстояниях 0,5 м и 0,95 м от первой пробы.

14

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2013р. Серія: Технічні науки Вип. 27

ISSN 2225-6733

Обработка экспериментальных данных этой работы по градиентам концентраций углерода и кислорода позволила установить механизм окисления углерода - в одни периоды плавки в подшлаковом слое при положительном значении grad С, и в другие периоды при отрицательном значении grad С - на подине печи. Что касается азота, то оно отличается от электропечей работы [1]. По двум определениям азота в пробах металла, относительные концентрации: 0 %/м и -0,75 %/м, можно только предполагать, что удаление азота из кипящей ванны мартеновской печи отстает от окисления углерода.

70

— 66

о4-

-62

- 40

- 0:

-40

б

Рисунок - Кривые относительной концентрации элементов grad С, %/м, для электропечей емкостью 10, 40 и 100 т: а - углерод; б - кислород; в - азот; г - сера; д -хром; е - фосфор и марганец для окислительного периода; О - окислительный период, X - восстановительный период; ® - окислительный период для марганца

15

ВІСНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНІЧНОГО УНІВЕРСИТЕТУ 2013р. Серія: Технічні науки Вип. 27

ISSN 2225-6733

Данные по температурным градиентам в расплавах металла в ваннах 60 - т и 250 - т мартеновских печей составляют 10-20 град/м [3]. Если в приведенной выше формуле концентрации элементов заменить на температуры (принято 1550°С), то градиенты на метр составят при 10 град/м:

, m 1эЬ0-1Ь4О , _ 1 1000 1 _ ,

grad Ti=----—— ■ 100% ■ — = - — = 0,651

& 1£4а 1л£ 1&4S lv

Аналогично grad Т2 при 20 град/м равен 1,3 %/м.

Таким образом, градиенты концентраций элементов (%/м) в расплавленных ваннах электро- и мартеновских печей изменяются в очень широких пределах - от 60 до 70%/м. Градиенты температуры в кипящей сталеплавильной ванне изменяются примерно в пределах 0,65+1,30 %/град.

Выводы

1. В технической литературе имеется мало данных о распределении различных элементов сталеплавильной ванны по её высоте, а также по ее температуре.

2. Предложена формула для вычисления степени неоднородности элементов по высоте кипящей сталеплавильной ванны в безразмерных процентах на 1 метр ее высоты.

3. Найдено, что степень неоднородности различных элементов в расплавленной ванне печи изменяются в очень широких пределах - от -60 до +70 %/м. Градиент температуры по высоте ванны очень мал и составляет примерно 0,65 +1,30 %/град.

Список использованных источников:

1. Строганов А.И. Распределение примесей по глубине металла в ваннах дуговых электропечей / А.И. Строганов, Ю.А. Пыльнев // Тепло- и массобменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. - М.: Металлургия, 1975. - С. 312-321.

2. Ойкс Г.Н. Механизм выгорания углерода в мартеновской печи / Г.Н. Ойкс, Ю.М. Максимов, Е.А. Калужский // Технологические, физико-химические и механические свойства стали. - М.: Металлургиздат, 1949. - С. 46-61.

3. Непрерывный контроль температуры жидкой стали в период доводки мартеновской плавки / В.С. Кочо, Г.В. Самсонов, А.Г. Стрельченко, П.С. Кислый. - Киев: Редакция литературы по горному делу и металлургии. - 1965. - 228 с.

4. Состав металла по горизонтам ванны 500-т мартеновской печи и обезуглероживание стали / Е.В. Челищев [и др.] // Физико-химические основы производства стали. Труды 5-ой научнотехнической конференции. - М.: Металлургиздат, 1961. - С. 511.

Bibliography:

1. Stroganov A.I. Distribution of admixtures on the depth of metal in baths of electric-arc furnaces /

A.I. Stroganov, U.A. Pulnev // Warmly- and mass-exchanged processes in bathtubs of steelsmelting units. - М.: Metallurgiya, 1975. - Р. 312-321. (Rus.)

2. Oiks G.N. The mechanism of burning out of carbon in the martin furnace / G.N. Oiks, и.М. Мак-simov, I.A. Kaluga // Technological, physics-chemical and mechanical properties became. - М.: МеtаПurgizdat, 1949. - Р. 46-61. (Rus.)

3. Continuous monitoring of the temperature of liquid steel during finishing of open-hearth smelting / V.S. Kocho, Г.В. Samsonov, A.G. Strelchenko, P.S. Kisliy. - Kyiv: Release of literature in mountain business and metallurgy. - 1965. - 228 p. (Rus.)

4. Composition of metal on horizons of bath a 500 tonn of martin stove and decarbonating became / E.V. Chelisev [and other] // Physical-chemical basis of the production of steel. Proceedings of the fifth Scientific-technical conference. - М.: Меtаllurgizdat, 1961. - Р. 511. (Rus.)

Рецензент: В.Г. Ефременко

д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»

Статья поступила 02.12. 2013

16