Научная статья на тему 'Процессы структуризации жидкоподвижных покровных шлаков для непрерывной разливки стали'

Процессы структуризации жидкоподвижных покровных шлаков для непрерывной разливки стали Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
107
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Белов Борис Федорович, Троцан Анатолий Иванович, Харлашин Петр Степанович, Рассказова Юлия Владимировна

Исследованы процессы структуризации жидких силикатов кальция базовых компонентов покровных шлаков, в рамках общей теории строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества с использованием полигональной диаграммы состояний CaO-Si02. Предложены способы оптимизации состава жидкоподвижных покровных шлаков для кристаллизаторов МНЛЗ на основе эвтектических систем.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Белов Борис Федорович, Троцан Анатолий Иванович, Харлашин Петр Степанович, Рассказова Юлия Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Процессы структуризации жидкоподвижных покровных шлаков для непрерывной разливки стали»

В1 СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ 2002 р. Вип. №12

УДК 669.017.12

Белов Б.Ф.1, Троцан А.И.2, Харлашин П.С.3, Рассказова Ю.В.4

ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРИЗАЦИИ ЖИДКОПОДВИЖНЫХ ПОКРОВНЫХ ШЛАКОВ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Исследованы процессы структуризации жидких силикатов кальция-базовых компонентов покровных шлаков, в рамках общей теории строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества с использованием полигональной диаграммы состояний СаО-МО,. Предложены способы оптимизации состава жидкоподвижных покровных шлаков для кристаллизаторов МНЛЗ на основе эвтектических систем.

Покровные шлаки - шлакообразующие смеси (ШОС), предназначенные для непрерывной разливки стали с целью теплоизоляции и защиты от вторичного окисления поверхности металлической ванны, адсорбции неметаллических включений и создания антифрикционной смазки на стенках кристаллизатора, являются синтетическими материалами из порошкообразных компонентов на базе извести и кремнезема с основностью В=СаО/8Ю2 = 0,6н-1,4 [1].

Физико-химические свойства таких шлаков (температура плавления, жидкотекучесть и др.) определяются диаграммой состояния системы СаО-8Ю2 в зависимости от химического состава и структурного состояния жидких силикатных фаз. Диаграммы шлаковых систем являются научной базой разработки энергоресурсосберегающих технологий внепечной обработки стали [2]. Полигональная диаграмма системы СаО-БЮ,, построенная новым графоаналитическим методом [3], во всем интервале концентраций твердых и жидких компонентов до температур их кипения показана на рисунке.

ПДС-метод построения диаграмм состояния бинарных систем требует знания критических, термических и концентрационных точек исходных компонентов в твердом и жидком состояниях. Эти точки для СаО в твердом состоянии: Со=450 "С (структурный переход СаОам-> а-СаО), С)=725 °С (температура образования 2СаО*8Юз), Сз=1250°С (температура образования ЗСа0*5102), С:,=2600иС (температура плавления). В жидком состоянии в соответствии с разрабатываемой моделью гармонических структур вещества [4] находятся критическая точка С4 = Тпл + (400-5-600) °С, разделяющая полиэдрическую (Ь;'ПД) и полигональную (Ье™) жидкость, а также Ся= 3900 °С (точка кипения). Для ЭЮз обнаружены семь критических точек (°С):

К0(575, ам.фаза а ) КК875, а^р)^ К2(1125, К3(1475, у->6)->К4(1610, точка

плавления кристобалита) К, (2000, и-т -> Ьк™) К6(2800, точка кипения)

До температур первичных (нулевых) критических точек (Со, Ко) исходные компоненты не взаимодействуют и образуют механическую смесь по линии Сп-Кп, выше этой линии появляется взаимная растворимость исходных компонентов, которая становится предельной при 725 °С, когда образуется первичная промежуточная фаза - 2СаО*8Юз (белит), сосуществующая с СаО и 8Ю2. Первичная промежуточная фаза (точка Б диаграммы) разделяет бинарную систему на две подсистемы: СаО-2СаО*8Ю2 и 8Ю2-2СаО*5Ю27 в которых последовательно образуются вторичные промежуточные фазы: ЗСаО^ЭЮг (1250 °С, аллит, точка А)—> 4СаО*5102(1500 °С, точка С) и СаО*8Ю2(1125 волластонит, точка

1 ИПМ HAH Украины, канд.техн. наук, ст.науч.сотр.

2 ИПМ HAH Украины, д-р.техн.наук, проф.

3 ПГТУ, д-р.техн.наук, проф.

4 ПГТУ, аспирант

Механическая ;смесь

Рис. - Полигональная диаграмма состояния системы СаО-5Ю2

BH-CaO*3Si02(17100C, точка CaO*6Si02(1610 °C; точка M) -> CaO*24Si02(1710 °С; точка М|)7 соответственно. В каждой подсистеме образуются эвтектики: 3Ca0*2Si02 (ранкинит, Э2) при 1400 иС между Ca0*Si02-2Ca0*Si02 и 2Ca0*3Si02 (тенкинит, Э0 при 1300 °С между CaO*SiO; и CaO*3SiOi. Кроме того; в подсистеме 2Ca0*Si02-SiOj протекают моногектические реакции при 1710 °С с образованием купола несмешиваемости при 2100 вершина которого отвечает составу силикатной фазы Ca0*6Si02.

В классической диаграмме состояния CaO-SiCh отсутствуют многие фазы из приведенных на полигональной диаграмме: 4Ca0*Si027 Ca0*3Si02; Ca0*6Si02; 2Ca0*3Si02; для известных фаз 2CaO*SiCb, 3Ca0*2Si02, 3CaO*SiOi уточнены области их гомогенности; температуры образования и плавления. В области температур выше точек плавления на полигональной диаграмме состояния, в отличие от классической, установлены фазовые границы и области гомогенности для стабильной жидкости.

Ликвидус диаграммы проходит через нонвариантные точки Сз —> А0 —> Эз —>В° —> 3i —> М2 Mi —> К4, которые позволяют выполнить структурно-химическую классификацию силикатных шлаков в зависимости от их основности (B=Ca0/Si02). Силикаты кальция по кислотно-щелочным свойствам разделяются на нейтральные, кислые и основные. Нейтральные шлаки образуются на базе химсоединения волластонита (CaO*SiOi; В=0;93), область гомогенности которого в твердом состоянии находится в пределах В=0;62-1;40. Область гомогенности жидких нейтральных шлаков (ЬВл) ограничена линией А°М2. Основные шлаки образуются на базе эвтектики 3Ca0*2Si02 (В=1;40), область гомогенности (Эз'' ) в жидком состоянии ограничена линией В°А° При В>2,8 образуются тугоплавкие высокоосновные шлаки. Кислые шлаки образуются на базе эвтектики 2Ca0*3Si02 (В=0,62); область гомогенности в жидком состоянии Oi™) ограничена линией В°М^. При В<0,31 появляются

зарядом в зависимости от числа (п) катионов кремния типа [л'/,//^2 ] в виде одиночных или полимерных тетраэдров, сопряженных через мостиковые анионы кислорода [6]. Линейные (цепочечные) структуры образуются при п<4; при больших значениях числа п - возникают кольцевые структуры.

По теории МГС-фаз кремний-кислородные радикалы представляют собой силоксановые сетки конечных размеров с неизменным электрическим зарядом (-4) независимо от числа катионов кремния типа [Л'^О,^, ^ В силикатах кальция силоксановые сетки

замыкаются катионами кальция или анионами кислорода с образованием зеркально симметричных элементарных двумерных молекулярных структур - полигональные ячейки (ПГЯ). В жидком состоянии образуются линейные структуры конечных размеров из ансамбля полигональных ячеек, число которых определяется отношением пт г:/п. В твердом состоянии из удвоенного числа полигональных ячеек образуются тримерные блочные структуры -полиэдрические ячейки (ПДЯ). Блочные структуры из заданного числа частиц (порог чувствительности рентгеноструктурного анализа более 10 частиц) образуют элементарный кристалл, а ансамбль последних - поликристалл.

Кроме упорядоченных структурных компонент - ПГЯ (ближний порядок) и ПДЯ (дальний порядок) существует общая разупорядоченная зона со статистическим распределением частиц в конечном пространстве (РАЗ), сумма относительных долей структурных компонент равна единице, а их соотношение определяется температурой. Эти структурные компоненты присутствуют в реальных поликристаллах с заданным типом кристаллической решетки (ПДЯ), границами зерен (ПГЯ) и дефектами решетки (РАЗ). При

плавлении поликристалла структурные компоненты сохраняются. При повышении температуры над ликвидусом их соотношение изменяется в результате последовательных превращений ПДЯ —> ПГЯ —> РАЗ, когда на определенной стадии исчезают упорядоченные структуры и жидкость становится разупорядоченной вплоть до температур кипения исходных компонентов. При этом не исключаются политипические или полиморфные превращения для каждого типа структурных компонент. Для жидких силикатов кальция, например, в связи с разнопрочностью химической связи кислорода с кремнием и кальцием (энергия связи больше для кремния [6]) сначала ПГЯ превращается в кремний-кислородные радикалы и отдельные ионы кальция и кислорода, с повышением температуры в последнюю очередь распадаются радикалы. Плавкость, жидкотекучесть, как и другие свойства шлаковых систем при заданном химическом составе и температуре зависят от соотношения структурных компонент и, при прочих равных условиях, от их геометрических параметров.

Покровные шлаки для кристаллизатора МНЛЗ с основностью 0,62-1,40 отвечают эвтектическому составу 2СаО-38Ю2 (ТЭ] = 1300°С) и ЗСаО-28Ю2 (Тэ =1400°С), соответственно, молекулярная структура (ПГЯ) которых имеет вид: а) 2СаО • 38Ю2 (Са2$1з08) б) бСаО - 45Ю2 (Са^Оп )

где • - Са2' ; О - о:"; ®-Si4'.

В жидком состоянии ансамбль ПГЯ эвтектических силикатов кальция при обобщении катионов кальция образуют конечных размеров линейные структуры. Длина их определяется числом катионов кремния из отношения птах/п, где nma:i равно n:;:¡ в двойном полисиликате кальция 2(Ca0-6Si02). Линейные структуры жидкой эвтектики Э,* состоят из четырех ПГЯ 4(Ca2Si30K) с числом частиц 52; для Э2Ж - из трех ПГЯ 3(CacSi40i2) с числом частиц 66. Длина цепочек с учетом межатомных расстояний 1,5-2,0 А составит 30-40 Á и 45-60 Á, соответственно, т.е. линейные структуры покровных шлаков состава Э]Ж в 1,5 раза короче шлаков Эг* Следовательно, их вязкость, как и температура плавления, должна быть значительно меньше. Температура плавления покровных шлаков составляет 1000-1100 °С [7], тогда как Т эишт} = 1300 °С, поэтому линейные размеры цепочных структур необходимо значительно сократить. Это удается сделать с помощью одновалентных элементов I и VII групп периодической системы Д.И.Менделеева,

Щелочные металлы разделяют линейные структуры через мостиковые анионы кислорода с кальцием и замыкают силоксановые сетки кремний-кислородных радикалов с образованием коротких однозвенных ПГЯ и свободного кальция. Для шлаков эвтектического состава Э]Ж после обработки натрием образуются четыре однозвенных ПГЯ типа NajSijOg из пятнадцати частиц с линейными размерами до 10Á и два свободных катиона кальция. Последние, при отсутствии вторичного окисления, способны связать серу из металла и перевести ее в шлак нового структурно-химического состава 2Na2S*2CaS*2Ca0-3Si02 с оксисульфидной полигональной ячейкой Na4Ca4Si?OgS4 из 23 частиц и с линейными размерами до 20 Á. Они в 1,5-2,0 раза короче исходной цепочки Са^^Оя?. Абсорбционная емкость по сере силикатного шлака, обработанного натрием, составляет 21,6 %, что в десятки раз превышает десульфурирующую способность рафинировочных шлаков типа ТШС. Плавкость и вязкость такого шлака находится в допустимых пределах технических условий для стандартных шлакообразующих смесей [7].

Присадки плавней типа плавикового шпата пригодны для шлаков с основностью <1,0, тогда как оксиды, фториды, хлориды щелочных металлов, как и борный ангидрид, используются для шлаков любого состава. Глинозем и кремнезем остается благоприятной присадкой только при основности шлаков >1, когда образуются эвтектические составы системы Ca0-Si02-Al203.

Выводы

1. Построена ПДС системы CaO-SiCb во всем интервале концентраций до температур кипения исходных компонентов, обладающая высокой информативностью, расширяющая и уточняющая известную диаграмму.

2. В рамках теории МГС-фаз с помощью ПДС Ca0-Si02 выполнен структурно-химический анализ силикатов кальция и показано, что оптимальные составы покровных шлаков отвечают эвтектическим составам, которые могут разбавляться плавнем (флюсующими добавками) и другими различными компонентами в концентрациях, не изменяющих гомогенность расплавов.

Перечень ссылок

1. Структурно-химическое состояние жидких шлакообразующих смесей для непрерывной разливки стали / Белов Б.Ф., Троцан А.И., Лепихов Л.С. и др.// Сб. науч. тр. Межгосударств.науч.-техн.конф. «Современная металлургия начала нового тысячелетия». -Липецк:2001.-С.79-82.

2. О разработке ресурсосберегающих технологий производства стали на основе исследования состава и свойств сталеплавильных шлаков / Кривоносов В.В., Старцев В.А., Братчиков С.Г. // Сталь,- 1996. - №6,- С.20-22.

3. Методика построения полигональных диаграмм состояния бинарных металлургических систем. Б.Ф.Белов, А.И.Троцан, П.С.Харлашин, Ф.С.Крейденко. Свцюцтво про державну реестращю прав автора на тв1р. ПА №2825 вщ 29.02.2000р.

4. Гармонические структуры и механизм процессов модифицирования чугуна и стали / Белов Б.Ф.// Тр. Всесоюзн. науч.-техн. конф. «Внепечная обработка металлов». - Мариуполь-Киев: 1991.-С.34.

5. Жмойдин Г.И., Чаттерджи А.К.. Шлаки для рафинирования металла (под ред. проф. И.С.Куликова).- М.: Металлургия, 1986. - 296 с.

6. Шелудяков Л.Н. Состав, структура и вязкость гомогенных силикатных и алюмосиликатных расплавов,-Алма-Ата: АН Каз.ССР. - 1980,- 155 с.

7. Исследование вязкостно-плавкостных свойств шлакообразующих смесей, применяемых на ОАО "МК "Азовсталь" для непрерывной разливки стали с целью оптимизации их составов / Харлашин П.С., Кирюшкин Ю.И., Чернуха O.E., Носоченко О.В. // Изв.вузов. Черная металлургия. - 1999-№4- С.71-73.

Белов Борис Федорович. Канд.техн.наук, ст.науч.сотр. отдела материаловедения стали ИПМ НАЛУ, окончил Челябинский политехнический институт в 1958г. Основные направления научных исследований - создание феноменологической теории строения металлургических фаз и разработка на ее основе энергоресурсосберегающих технологий производства стали и сплавов.

Троцан Анатолий Иванович. Д-р техн.наук, проф., зав.отделом материаловедения стали ИПМ НАЛУ, окончил Донецкий государственный университет в 1968г. Основные направления научных исследований - развитие научно-технологических основ микролегирования и модифицирования стали химически активными элементами.

Харлашин Петр Степанович. Д-р техн.наук, проф., зав.кафедрой металлургии стали ПГТУ, окончил Ждановский металлургический институт в 1972г. Основные направления научных исследований - развитие теоретических и технологических основ создания материалов с гарантированными свойствами.

Рассказова Юлия Владимировна. Аспирант ПГТУ, окончила Приазовский государственный технический университет в 2000г. Основные направления научных исследований - изучение структуры и свойств металлургических шлаков.

Статья потупила 21.02.2002

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.