CC BY
68
УДК 621.745.4
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СИНТИКОМА НА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ
Г. А. Дорофеев, Ю.В. Харитонова, А. А. Протопопов, Е. Щивка
Рассмотрены особенности поведения углерода и кислорода при плавлении синтикома в сталеплавильном агрегате, которое сопровождается их интенсивным взаимодействием и соответствующим снижением концентрации по сравнению с начальной.
Ключевые слова: синтетический композиционный материал, синтиком, углеродно-кислородное взаимодействие, окисление углерода , твёрдый окислитель.
Особенностью окисления углерода в синтикоме является использование на эти цели собственного кислорода, из оксидов железа твердого окислителя.
Характер поведения кислорода, является обратным по отношению к углероду. В процессе плавления происходит интенсивное окисление углерода чугуна синтикома, усиливающееся при переходе от СК5 к СК30 и сопровождающееся снижением концентрации углерода. В области СК25 и последующих марок происходит полное окисление всего начального содержания углерода собственным кислородом[1-2].
Для конечного содержания кислорода разница в поведении кислорода усиливается. В интервале марок обычного композита СК5-СК20 весь исходный кислород полностью расходуется на окисление кремния и главным образом углерода чугуна. Поэтому конечное содержание углерода в синтикоме для этих марок опускается до нуля. При переходе к синтикому с более высоким относительным количеством твердого окислителя часть кислорода оказывается неиспользованной для окисления элементов чугуна и возникает избыток кислорода, достигающий 28,9 кг/т или 2,89 % для синтикома марки СК30. С позиций поведения кислорода синтиком разделяется на марки СК5-СК20, не содержащие кислорода после расплавления и не вносящие его в печь, и марки СК21-СК30, являющиеся источниками дополнительного кислорода. Группа марок СК5-СК20, не обладает окислительным потенциалом. Группа марок композита СК21-СК30, сохраняет часть исходного кислорода и, следовательно, имеет окислительный потенциал.
Аналогичная картина наблюдается и для углеродистого синтикома. Отличием является несколько меньшее начальное содержание кислорода, связанное с замещением части твердого окислителя в данном варианте композита углеродсодержащим материалом в количестве 17,6 кг/т или 1,76 %/т синтикома (15 кг/т или 1,5 %/т композита в пересчете на углерод). Основное отличие углеродистого синтикома от обычного проявляется в
156
том, что область марок и составов синтикома, полностью отдавших весь исходный кислород на окисление кремния и углерода, в данном случае расширена и простирается до марки СК25У. При этом избыток начального содержания кислорода над конечным оказывается ниже, чем в классическом синтикоме, и составляет всего 4,6 кг/т или 0,46 % против 28,90 кг/т или 2,89 % для обычного композита.
С позиций поведения углерода определенный интерес представляет количество углерода, окисляемого собственным внутренним кислородом. Результаты анализа этого явления показаны на рис.5 и рис.6 соответственно для двух видов рассматриваемого композита - обычного и углеродистого. Для первого материала характерным является увеличение количества окисляемого углерода по мере перехода от СК5 до СК 20 (рис. 1).
е
0 £ ¡1 § 3
5 «
1 2
ш
о
253
5ч л® А'
2 5 ^ Й £
| I ь =
II
2 > ■ 1 дгрп
]
т
Чугун
СК10 СК15 СК20 СК25
Марки синтикома базового состава
Рис. 1. Зависимость количества углерода в синтикоме, окисленного собственным кислородом композита, в зависимости от марки синтикома: 1-количество углерода; 2-линия, соответствующая марке синтикома с максимальным количеством окисленного углерода (условно отделена на рис. 4 от оси ординат - марки СК30У); А[С]тах - точка, отвечающая максимальному количеству окисленного
углерода
При составе синтикома, отвечающего марке СК20, количество имеющегося в синтикоме кислорода достигает уровня, обеспечивающего полное окисление всего углерода, содержащегося в композите, равного 34,0 кг/т синтикома. Количество углерода, окисляемого собственным кислородом, достигает в данном случае максимума и равно его начальному содержанию в исходном материале. Этому отвечает нулевое конечное значение, как углерода, так и кислорода. Дальнейшее увеличение доли кислорода - марка СК20-СК30 обеспечивает также полное окисление углерода и
израсходование на эти цели большей части кислорода. Однако некоторая часть кислорода при этом оказывается уже избыточной по отношению к углероду синтикома. Количество окисляемого углерода при этом несколько снижается. Однако это не связано с поведением кислорода, и объясняется снижением доли чугуна и соответственно уменьшением количества углерода в синтикоме по мере возрастания в нем доли твердого окислителя.
ч*г'" Марки углеродистого сиитнкома
Рис. 2. Зависимость количества углерода в синтикоме, окисленного собственным кислородом композита, в зависимости от марки синтикома: 1-количество углерода; 2-линия, соответствующая марке синтикома с максимальным количеством окисленного углерода (условно отделена на рис. 4 от оси ординат - марки СК30У);
А[С]тах - точка, отвечающая максимальному количеству окисленного
углерода
В отличие от классического синтикома в углеродистом количество углерода, окисляемого собственным кислородом, непрерывно возрастает с увеличением доли твердого окислителя в ряду от СК5У до СК30У, достигая максимума - 46,5 кг/т композита для композита, соответствующего марке СК30У.
Различие между рассмотренными составами композитов сводится лишь к тому, что в первом случае максимум окисления углерода достигается или наблюдается при составе синтикома, соответствующего марке СК20, а для углеродистого синтикома - марке СК30У. Следовательно, в углеродистом синтикоме имеет место возрастание количества углерода, окисляемого собственным кислородом, а также одновременный сдвиг вправо марок синтикома, состав которых обеспечивает максимальное количество окисляемого углерода. Примерно такая же картина наблюдается
и с параметрами, характеризующими степень собственного обезуглероживания для различных видов синтикома и его различных марок. В синтико-ме классического типа максимальная степень обезуглероживания, равная 100 %, имеет место, начиная с марки СК20, а для углеродистого композита тот же показатель достигается лишь при составе композита, соответствующем СК30У, и далее, например, в случае СК35У.
Это качество углеродистого синтикома следует рассматривать как его преимущество, поскольку при одинаковой степени обезуглероживания, являющейся относительной величиной, абсолютное количество окисленного углерода в данном случае выше по сравнению с обычным композитом - 46,5 и 34 кг/т соответственно (см. рис. 4 и рис. 3).
Дополнительной информацию к выше изложенному несут данные о конечной (остаточной) концентрации углерода и кислорода в синтикоме после его расплавления. По мере перехода от синтикома с минимальным содержанием твердого окислителя к композиту с более высокой долей этого компонента, остаточная концентрация углерода пропорционально снижается вплоть до нулевого значения, а концентрация кислорода наоборот возрастает от нуля до максимума. При этом в определенной точке на линии зависимости конечных содержаний углерода и кислорода от марки композита, их концентрации становятся равными нулю. Для классического синтикома этой точке отвечает марка, близкая к СК20, а для углеродистого синтикома - марка СК27У.
Синтиком подразделяется на две группы. Одна из них, представляет собой марки, содержащие после окончания окисления некоторое остаточное количество углерода, но не содержащие кислорода. Иными словами, эта группа марок синтикома после расплавления содержит определенное количество углерода, придавая этой группе свойства науглероживателя при отсутствии в ней кислорода.
Другая группа - сохраняет в своем составе некоторое количество кислорода при отсутствии углерода. Поэтому она является источником дополнительного кислорода. К первой группе для классического синтикома относятся группа марок СК5-СК20, а для углеродистого синтикома - группа марок СК5У-СК27,5У. Ко второй группе относятся соответственно марки синтикома СК21-СК30 для классического и СК27,5У-СК30У для углеродистого синтикома.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что углеродистый синтиком имеет более широкий диапазон марок и составов, обладающих науглероживающим эффектом по сравнению с обычным: соответственно СК5У-СК27,5У вместо СК5-СК20. Поэтому область составов для классического синтикома значительно шире той же области для углеродистого синтикома. Это обстоятельство расширяет спектр композитов, которые следует применять в электродуговых печах, в первую очередь, благодаря наличию в них дополнительного количества углерода, выполняющего в
синтикоме наряду с функциями восстановителя также функции дополнительного энергоносителя.
Для кислородных конверторов более подходящим материалом является обычный классический синтиком, который не содержит дополнительный углеродсодержащий реагент, что увеличивает его охлаждающую способность.
Приведенные выше результаты в большинстве случаев выражают зависимость отдельных параметров от марки и состава синтикома как правило в абсолютных единицах. В более общем виде это лучше представить в относительных единицах. Наиболее важными из характеристик синтикома, как это следует из вышеизложенного, является содержание в нем углерода и кислорода. В обобщенном виде эти параметры выражаются отношением углерода-кислород. Результаты расчетов отношения С / О для синтикома разного вида представлены на рис. 3 и рис. 4, относящиеся к классическому и углеродсодержащему синтикому соответственно.
Рис. 3. Зависимость отношения углерод-кислород С/О в зависимости от марки синтикома: 1-отношение начальных концентраций углерода и кислорода С/О в синтикоме; 2- стехиометрическое значение С/О,
равное 0,75; 3-линия, проходящая через точку пересечения зависимости С/О в синтикоме со стехиометрическим значением С/О=0,75и отвечающая марке синтикома с фактическим отношением С/О=0,75, соответствующая стехиометрической величине
Из представленных данных следует, что отношение С / О для рассматриваемых видов синтикома зависит от марки материала, определяемой в свою очередь долей твердого окислителя. С увеличением содержания окислителя или с переходом от марки синтикома СК5 к марке СК30, что одно и то же, значение этого показателя существенно снижаются. Наи-
большее падение отмечается для марок синтикома СК5-СК10, причиной чего является относительно небольшое количество твердого окислителя в этих марках.
Пределы изменения величины отношения С / О для синтикома с содержанием 5-30 % окислителя составляют 6,29-0,54 и 24,06-0,70 соответственно для классического и углеродистого композита. Это отвечает средним значениям 3,415 и 12,38 соответственно. Из сравнения этих величин следует, что углеродистый синтиком, как то и следовало ожидать, по величине отношения С/ О значительно - в 3,6 раза превосходит обычный синтиком. Даже если отбросить крайне высокие значения данного параметра, отвечающего максимуму (марка СК5У), то и в этом случае разница составляет 1,67 при интервале значений 2,07-0,54 и 3,65-0,70 соответственно для рассматриваемых видов композита.
Рис. 4. Зависимость отношения углерод-кислород С/О в зависимости от марки синтикома: 1-отношение начальных концентраций углерода и кислорода С/О в синтикоме; 2- стехиометрическое значение С/О,
равное 0,75; 3-линия, проходящая через точку пересечения зависимости С/О в синтикоме со стехиометрическим значением С/О=0,75 и отвечающая марке синтикома с фактическим отношением С/О=0,75, соответствующая стехиометрической величине
Таким образом, введение в состав синтикома дополнительного количества углерода оказывает существенное влияние на основной параметр композита - отношение С / О, значительно увеличивая его величину, в том числе даже при небольших добавках УСМ в состав синтикома. Это открывает возможность широкого варьирования металлургических свойств ма-
териала. Обращает на себя внимание, что столь широкое изменение параметров материала достигается при относительно малом количестве вводимого науглероживателя - всего 1,76 % или в пересчете на углерод 1,5 %.
Вводимый в состав синтикома углерод одновременно является дополнительным энергетиком и обладает соответствующим энергопотенциалом, достигающем при полном дожигании порядка 10 кВтч/кг углерода. Это открывает возможности изменения энергетических характеристик синтикома в широких пределах. По отношению к металлолому, энергоемкость которого принимается за единицу, энергопотенциал синтикома может составлять от 0,5 до 1,5 по отношению к скрапу. Возможность варьирования энергоёмкости синтикома на основе ввода в его состав углерода, в том числе возможность повышения этого показателя, представляет с позиций энергетики значительное преимущество углеродистого синтикома. Это существенно расширяет сферу применения данных материалов.
Точка пересечения этих линий примерно отвечает синтикому обычного состава марок СК19-СК20, а для углеродистого синтикома - марке СК27,5У. Линия 3 на рис. 3 и рис. 4 распределяет синтиком на две группы - А и Б. Первая из них - группа А характеризуется тем, что в этой области отношение фактических концентраций углерода и кислорода в исходном состоянии композита превышает стехиометрическую величину С / О = 0,75. Вторая - группа Б в отличие от первой имеет данное отношение ниже стехиометрической величины С / О = 0,75. К первой группе для классического синтикома относятся марки синтикома СК5-СК20, ко второй - СК21-СК30. Для углеродистого синтикома соответственно имеем СК5У-СК27,5У и СК28У-СК30У.
Сравнение рис.3 и рис.4 указывает на существенное различие в характере поведения углерода и кислорода для рассматриваемых видов синтикома - классического и углеродистого, выражаемое через отношение С / О. В первом случае область А, в которой С / О выше стехиометрической величины, охватывает только марки синтикома СК5-СК20 и значительно уже (рис. 3), чем для углеродистого синтикома (рис. 4). В данном случае область А с отношением С/ О > 0,75 распространяется на более широкий ряд марок синтикома - в диапазоне от СК5У до СК27,5У. Разница в протяженности зоны А с С/ О > 0,75 достигает 1,375 раза, подтверждая принципиальное отличие обычного и углеродистого синтикома. Соответственно изложенному выше, область Б с отношением С / О ниже стехиометрической величины, равной 0,75, для обычного синтикома значительно больше и включает марки синтикома, начиная с СК21 до СК30в то время как аналогичная область для углеродистого синтикома представлена только марками СК28У-СК30У. На рис. 7 и рис. 8 можно выделить отдельно часть области А, в которой отношение С / О изменяется в пределах
С / О = 0,75 -1, разделив ее на две зоны - с отношением С / О > 1, и отношением С/ О в пределах 0,75-1. Рассмотренный подход дает основания для выделения в области синтикома три группы марок и соответственно составов, отличающихся различной величиной С / О. Для стандартного состава синтикома это область А1 с отношением С / О > 0,75 с марками, включающими СК5-СК15, область А2 с отношением С/О в пределах 0,751, марки СК16-СК19,5; область Б с отношением С/ О меньшим 0,75, марки СК20-СК30. Применительно к углеродистому синтикому следует выделить область А1 с отношением С/ О выше 0,75, которая включает в себя марки СМК5У-СК21,5У; область А2 с отношением С / О в диапазоне С/ О = 0,75 -1 - марки СК22У-СК27,5У; область Б - с отношением С/ О менее 0,75 - марка СК28У-СК30У.
Резюмируя вышеизложенное, приходим к выводу о том, что синти-ком с дополнительным содержанием углерода (углеродистый синтиком) по сравнению с классическим синтикомом, не содержащим науглероживателя в свободном состоянии, обладает целым рядом преимуществ. Обращает на себя внимание, что весьма значительное влияние углерода на металлургические характеристики композита, которые проявляются при относительно небольшом количестве вводимого в синтиком - в данном случае это всего 1,5 % углерода или 1,76 % в пересчете на УСМ.
За пределами выполненного анализа остались марки композита с содержанием твердого окислителя свыше 30 %. Следует оговориться специально, что данный подход обоснован. Это объясняется тем, что получить синтиком с литой металлической основой из чугуна с содержанием выше 30 % твердых наполнителей технически трудно. Поэтому в данном случае анализ синтикома был ограничен маркой СК30.
Выводы:
1. Синтиком в результате расплавления и после завершения реакции обезуглероживания представляет собой железоуглеродистый сплав, имеющий значительно меньшую концентрацию углерода по сравнению с чугуном. Одним из следствий этого является возможность увеличения доли синтикома в шихте электропечей до уровня 50-70 % и более.
2. Синтиком представляет собой универсальную шихту, обладающую в числе прочих высокими газотворными свойствами и создающих интенсивное глубинное перемешивание металлической ванны, аналогичное донной продувке.
3. С позиций физико-химии синтиком принципиально отличается от чугуна и других видов первичного металлического сырья реакцией обезуглероживания. Окисление углерода в синтикоме лимитируется подводом тепла, а не доставкой кислорода в металл, как это наблюдается в сталеплавильной ванне. При этом реакция между углеродом и оксидами железа протекает при жидкофазном состоянии этих компонентов, что обеспечива-
ет исключительно высокие скорости реагирования, включая как окисление углерода, так и восстановление железа, являющееся обратной стороной реакции обезуглероживания.
4. Реакция окисления углерода в слитках синтикома, возникающей с момента нагрева их до температуры 1150 оС и выше, соответствующего началу периода плавления, обеспечивает протекание плавки в режиме непрерывного обезуглероживания - от начала плавления шихты до выпуска стали из печи.
5. Наличие углерода в углеродистом синтикоме позволяет изменять в широких пределах его концентрацию и, что особенно важно, отношение C / O. Данный параметр является определяющим и обеспечивает регулирование состава синтикома и его технологических свойств в значительных пределах.
6. Синтиком может быть как энергоносителем, так и охладителем плавки и соответственно использоваться как в электродуговых печах, так и кислородных конвертерах.
Работа представлена на 3-й Международной Интернет - конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2014 г.
Список литературы
1. Дорофеев Г.А., Афонин С.З., Шевелев Л.Н.. Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 112 с.
2. Е.Х.Шахпазов, Г.А.Дорофеев. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@list.ru, Россия, Тула, ООО "НПМПИнтермет-Сервис",
Харитонова Юлия Вадимовна, асп, iulna-kharitonova@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Протопопов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, pro-topopov@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ежи Щивка, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, siwka@wip.pcz.pl, Польша, Ченстохова, Ченстоховский Политехнический Университет
INFLUENCE OF CARBON-OXYGEN INTERACTION SYNTICOM AT ITS TECHNOLOGICAL FEATURES
G.A. Dorofeev, I. V.Kharitonova, A.A Protopopov, J. Siwka
In this article analyzed behavior features of carbon and oxygen during melting. This reactions are accompanied by intence interaction and a corresponding concentration decrease compared to the initial.
Key words: synthetic composite material, Synticom, carbon-oxygen interaction , carbon oxidation, solid oxidant.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical science, docent, imsk@list.ru, Russia, Tula, OOO «NPMP Intermet-Service»,
Kharitonova Iuliia Vadimovna, postgraduate, iuliia-kharitonova @yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Protopopov Aleksander Anatolievich, doctor of technical science, professor, manager of department, protopopov@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Jerzy Siwka, doctor of technical science, professor, head of department, siw-ka@wip.pcz.pl, Poland, Czestochowa, Czestochowa University of Technology
УДК.621.9
ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ВИТКА СТРУЖКИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Д.С. Зябрева
Статья посвящена исследованию процесса разрушения витка стружки и его критериям. Указываются основные виды реагирования стружки при контакте с препятствиями. Описана зависимость относительной жесткости витка стружки от физико-механических свойств обрабатываемого материала.
Ключевые слова: разрушение витка стружки, сменные многогранные пластины, токарная обработка, передняя поверхность.
Особенностью современного машиностроения является использование для изготовления его изделий материалов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками. При организации процесса обработки материалов с особыми свойствами в автоматизированном производстве усложняется решение задачи обеспечения дробления стружки.
Актуальности задачи в современном машиностроительном производстве обусловлена возрастанием роли лезвийных чистовых операций. Вместе с тем, стружкообразование в условиях чистового точения сопровождается высокими скоростями резания. При этом стружка имеет малую толщину и формируется при высоких температурах. Поэтому ее жесткость невелика, что затрудняет стружкодробление.
