Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

1.3.1. Первичная реакционная зона

В первичной реакционной зоне для всех конвертерных переде­лов основным процессом является усвоение вдуваемого кислорода, протекающее на границе раздела окислительный газ — металл.

Как показано выше, внедрение газовой струи в жидкость свер­ху, сбоку или снизу вызывает эжекцию металла в газовый поток и дробление газового потока на отдельные объемы. С увеличением динамического напора газового потока в месте встречи с ванной (в определенных пределах) возрастает степень эжекции металла.

Эжектированные металл и шлак, попадая в газовый поток, дро­бятся под действием динамического напора на капли различных размеров. Этот процесс имеет сложный механизм и определяется соотношением инерционных сил газового потока и поверхностного натяжения жидкости, из которой состоит капля. Для процессов в реакционной зоне максимальный диаметр капли с? к max, стабиль­ной в газовом потоке данных параметров, находится из условия

PrWrUlc тах /3«<WeKP, (1-48)

Где рг, — плотность и скорость газа; сгж — поверхностное натяже­ние дробимой жидкости; WeKp—¦ критическое значение критерия Вебера, оно, по различным экспериментальным данным, колеблется в пределах 2,6—12. Согласно результатам теоретического анализа процесса значения WeKP близки к нижнему пределу.

Нестабильные капли, попадая в газовый поток, разрушаются путем «сдирания» с их поверхности слоев жидкости или превраще­ния капли в пленку, надуваемую и лопающуюся под действием газового потока («парусный эффект»).

Металл системы Fe — С помимо физического измельчения под­вергается дроблению, которое условно можно назвать химическим. Суть его состоит в том, что при взаимодействии с окислительным газом в капле металла растворяется кислород, реагирующий с со­держащимся в ней углеродом. Выделение образовавшейся окиси углерода может носить взрывной характер и приводить к разрыву капли на более мелкие.

Согласно расчетной оценке размеров капель, образовавшихся в результате физического дробления, при скорости газового пото­ка IO3— 5- IO4 см/с величина сектах составляет 1—5- IO-3 см. Разме­ры капель при химическом дроблении металла в 5—10 раз меньше, чем при физическом. Необходимо отметить, что перечисленные значения следует рассматривать лишь в качестве ориентировочной оценки порядка величины. Экспериментальные данные, приведен­ные выше, близки к расчетным.

Г

M

(Fe2O3)+[Fe]—3(FeO)

M

S (FeO)^fFeJ+[0].

Рис. 1.13. Схема взаимодействия окислительного газа с металлом

Поверхность капель, образующихся в первичной реакционной зоне, примерно на один-два порядка величины больше граничной поверхности газового потока (лунки) с ванной. Принимая во вни­мание, что эжектированного в газовый поток металла, согласно расчетным оценкам и экспериментальным данным, достаточно для поглощения всего вдуваемого кислорода, можно предполагать, что значительная и, по-видимому, основная часть вдуваемого кислоро­да в обычных условиях продувки сверху, снизу и сбоку усваивает­ся в процессе взаимодействия потока с каплями металла.

Г

О

А

Ш

При низких динамических напорах вдуваемого газа эжекция происходит в меньшей степени и большая часть газового потока дробится на пузыри, которые имеют величину порядка 5-IO-1 — 1 см. Пузыри всплывают в металле, реагируя с ним и передавая ему содержащийся в них кислород.

(1.49)

Таким образом, в первичной реакционной зоне образуется по­верхность раздела окислительный газ — металл соответственно для эжектируемых в газовый поток объемов металла и всплывающих в металле объемов кислорода. Взаимодействие на поверхности раз­дела окислительный газ — металл для любого из двух указанных выше случаев может быть представлено схемой рис. 1.13, а. В за­висимости от формы существования газовой фазы Г (поток или пу­зырь), направления и скорости ее движения по отношению к по­верхности раздела с металлом M осуществляется массоперенос кислорода в газовой фазе к границе раздела с определенной удель­ной интенсивностью

’1O — UCo2 — Со2равн)>

Где р0 — коэффициент массопереноса; Co2 и Co2 равн — концентра­ции кислорода в объеме газа и равновесная с металлом на грани­це раздела.

В металле, в зависимости от интенсивности и направленности циркуляционных потоков в нем, развивается массоперенос раство­ренных элементов к границе раздела. Удельная интенсивность мас­сопереноса каждого из них

(1.50)

Где Pi — коэффициент массопереноса t’-ro элемента; С,- и Сгравн— концентрация элемента в объеме металла и равновесная с газовой фазой на границе раздела. Величина (3, при наличии циркуляцион­ных потоков в капле определяется конвективной диффузией, а при их отсутствии — молекулярной. Если коэффициенты массопереноса молекулярной диффузией неодинаковы для различных элементов, то при конвективной диффузии величины р* одинаковы для всех элементов и определяются лишь интенсивностью перемешивания металла.

Углерод, кремний, марганец и другие элементы могут на гра­нице раздела взаимодействовать с подводимым из газовой фазы кислородом, усваивая его. Если величину и для каждого элемента пересчитать на потребляемый таким образом кислород и просум­мировать полученные значения, то можно определить удельный расход кислорода на границе раздела, необходимый для окисления подводимых к ней из объема металла элементов is-

В первые мгновения контакта металла с окислительным газом is ^ io. При этом элементы, подводимые с удельной интенсивнос­тью ii к границе раздела, полностью усваивают весь находящий­ся здесь кислород. Если продуктом окисления элемента является конденсированная фаза (SiC>2, MnO, FeO), то на границе раздела образуется пленка окислов О. В случае, когда элементы окисляют­ся с образованием газообразных компонентов (углерод), послед­ние переходят в газовую фазу. Исследования показывают, что в начальной стадии контакта газа-окислителя с расплавами системы Fe—С наиболее благоприятные условия поверхностного окисления создаются для углерода, так как продукты реакции выделяются в имеющуюся газовую фазу. Образование же новой фазы конденси­рованных окислов возможно только при значительных пересыще­ниях металла кислородом. Однако большие значения соотношения Po/Pi, например высокая скорость газового потока, могут привести к очень быстрому израсходованию массы элементов в прилегаю­щих к поверхности слоях металла. В дальнейшем доставка элемен­тов из объема металла будет осуществляться значительно медлен­нее, что приведет к уменьшению is-

Если is, < i0, то часть кислорода у границы раздела, не израс­ходованного на окисление массы подведенных примесей, начнет взаимодействовать с атомами железа, из которого в основном со­стоит металл, окисляя его. Согласно теоретическому анализу соот­ношения величин I0 и is, проведенному с помощью новейших дан­ных для определения скорости массопереноса применительно ко всем вероятным в реальной конвертерной ванне условиям, практи­чески в течение всего взаимодействия i„ > is. Важнейшими причи­нами этого являются большие скорости движения окислителя в га­зовой фазе и малые размеры образующихся в реакционной зоне капель, в которых практически мгновенно подавляется или прекра­щается конвективная диффузия. Следовательно, в реальных усло­виях на границе раздела окислительный газ — металл взаимодей­ствие сводится к поверхностному окислению капли или металла вокруг пузырей, которое можно назвать сжиганием поверхностных слоев металла. Окисление носит не избирательный с термодинами­ческой точки зрения, а тотальный характер, и так как основной составляющей металла является железо, продукты сжигания со­держат преимущественно его окислы.

Для системы Fe—С—Si—Mn с различным содержанием эле­ментов в пределах чистое железо — чугун экспериментально уста­новлено, что содержание окислов железа в шлаковой фазе первич­ной реакционной зоны достигает 90—98 %. Это отвечает расчетным данным для случая тотального сжигания. Содержание других окис­лов, в частности БЮг и MnO, составляет 1—15 и 1 —10 % соответ­ственно, и тем больше, чем выше концентрация кремния и марган­ца в чугуне.

Таким образом, первичным актом усвоения кислорода из окис­лительного газа, вдуваемого в ванну, является поверхностное окис­ление металла на границе раздела газ — металл. Схема этого про­цесса представлена на рис. 1.13, б. На границе раздела газ—ме­талл образуется пленка окисла (слой О), передача кислорода через которую осуществляется по следующим этапам: граница газ — металл

2(FeO) +{02} -V (Fe2O3); (1.51)

Массоперенос Fe203 через слой окислов; граница окисел — металл (Fe2O3) + [Fe] 3(FeO). (1.52)

Накопление (FeO) на границе раздела окисел — металл вызывает массоперенос (FeO) к границе раздела газ — окисел; растворение кислорода в металле по уравнению

(FeO) ->¦ [Fe] + [О]. (1.53)

По мере окисления металла толщина слоя окислов возрастает, и, начиная с некоторой критической для конкретных условий величи­ны, скорость окисления лимитирует перенос ионов железа через слой окислов и окисление замедляется.

Горение металла в кислороде протекает в температурном режи­ме, определяемом тепловым балансом процесса:

Qrop = Qh + Qn0T, (1-54)

33

Где Qrop, Qu, Qn0T — тепло, соответственно выделившееся при окис­лении (горении) металла, затраченное на нагрев всех фаз и поте­рянное в окружающую среду путем конвекции, излучения и испа­рения. Из всех составных частей теплового баланса при горении металла в кислороде основным является Qr0p, а в потерях тепла — та их часть, которая связана с испарением. При горении металла в воздухе, когда затраты тепла на нагрев азота дутья велики, растет значимость Qu. Горение развивается в нестационарном режиме, в ходе процесса повышается температура реагирующих фаз до неко­торого максимально возможного предела. Затем, если толщина слоя окислов по мере окисления и в дальнейшем нарастает, умень­шаются скорость окисления и Qrop, что вызывает снижение темпе­ратуры горения. Максимальная температура горения металла (со­гласно законам горения конденсированных систем) зависит от

2 193 температур кипения горящей фазы, продуктов сгорания и приблизи­тельно равна меньшей из них. Это происходит потому, что при минимальной температуре кипения парциальное давление пара той фазы, которой она соответствует, становится равным общему внеш­нему давлению (~ 0,1 МПа) и, следовательно, интенсивность ис­парения данной фазы резко повышается. В таких условиях значи­тельная часть выделяющегося при горении тепла расходуется на испарение этой фазы, нарастание температуры горения замедляет­ся и она достигает максимума.

В рассматриваемых условиях кипеть может металл системы Fe—С или его окислы. Температура кипения металла составляет около 2820—2850 0C, а его окислов 2400—2500 0C по разным оцен­кам. При таком соотношении должны преимущественно испарять­ся окислы железа. Это тем более вероятно, так как последние кон­тактируют с газовой фазой, благодаря чему облегчается удаление их паров в объем газа от границы раздела. Таким образом, темпе­ратура горения металла в кислороде не должна превышать 2400— 2500 0C, что соответствует экспериментально полученным значени­ям температуры реакционной зоны 2100—27000C (если учесть трудности проведения svroro эксперимента и возможные погреш­ности) .

В условиях продувки воздухом или другими смесями кислорода с нейтральным газом увеличиваются затраты тепла на нагрев инертного газа и температура горения металла снижается до пре­делов 1700—1900 0C (при содержании кислорода в смеси около 20 %)¦ Вдувание с кислородом восстановительных газов или твер­дых холодных пылевидных частиц также снижает температуру го­рения и реакционной зоны. Положительной стороной этого явля­ется уменьшение парциального давления паров испаряющейся фа­зы и пылеобразования.

Специфика процесса горения металла системы Fe—С заключа­ется в возможности взаимодействия растворенного в металле угле­рода с кислородом. Оно протекает на границе металл—окисел

[С] + (FeO) — V {СО} + [Fe] (1.55)

И в объеме металла

[С] + [О] — {СО}. (1.56)

В первом случае выделяющаяся окись углерода образует газовые пузыри, которые, вырастая, прорывают пленку окислов и переходят в газовую фазу, что интенсифицирует массоперенос веществ через слой окислов и увеличивает скорость горения металла. Во втором случае газовая фаза зарождается в объеме металла (в первую очередь это происходит, если металл диспергирован в газовой фазе на капли), что вызывает взрывообразный разрыв первоначальной капли на несколько капель меньшего размера, названный выше хи­мическим дроблением.

Из описания процесса тотального сжигания металла в окисли­тельном газе в пределах первичной реакционной зоны вытекает ин­тересное следствие. Углерод и сера, растворенные в металле и сго­рающие с ним, образуют газообразные продукты сгорания. Таким образом, окисление углерода и переход серы в газовую фазу не за­висят от термодинамических условий.