Расчет равновесного содержания углерода в металле

 

Процесс окисления углерода, являющийся важнейшим фи­зико-химическим процессом в сталеплавильной ванне, ис­следован больше, чем любая другая реакция. В настоящее время можно считать экспериментально и теоретически до­казанным, что процесс окисления углерода протекает не только по реакции [С] + [О] = {СО}. Этой реакции все­гда сопутствуют реакции образования СО₂ в металле:

{СО} + [О]= {СО₂}, [С] + 2 [О] = {СО₂} и в шлаке:

{СO}+(FeO) = {CО₂}+[Fe]. Реакция образования СО при любых условиях является главной. Образование СO₂ практическое значение имеет только при низких содержаниях углерода в металле.

Константа равновесия реакции [С] + [О] = {СО} в общем случае определяется выражением

 

К_с= P_co / (а[c]× а [O]) =P_co / (g_с[С]× g₀[О]). (1.1)

 

Как уже указывалось, коэффициент активности углерода f_c » 1 для [С] £ 1 %. С достаточной для практических целей степенью точности можно принять (р_со выражено в кг/см²):

 

K_с = p_со/([С]× [O]). (1.2)

 

Поскольку значение теплового эффекта реакции мало, им можно пренебречь. Тогда для любой температуры pсо/([С]× [О]) = const.

Приняв для открытых агрегатов р_со = 1 кг/см² и 1/Kс = 1/const = m, можно получить еще более простую зависимость: [С] × [О] = m.. Последнее уравнение чаще всего используется для определения равновесных соотно­шений углерода и кислорода в жидком железе и справед­ливо для концентрации углерода до 1, 2÷ 1, 5 %. По данным В. И. Явойского принимаем:

 

LgK_c = lg(p_co/([C]× [O])) = (1850/T) + l, 61; (1.3)

 

 

m =[С]× [О]=p_co/Kc=p_co/402=0, 0025× р_со. (1.4)

 

Рассчитаем равновесное содержание углерода и пределы обезуглероживания стали с использованием различных методов выплавки и внепечной обработки.

 

3.1. Равновесное остаточное содержание углерода в металле при плавке стали в открытых агрегатах

 

Знание равновесного остаточного содержания углерода в металле имеет большое значение при выплавке стали с особо низким содержанием углерода, поскольку равновес­ное содержание — это то минимальное содержание, по достижении которого реакция (удаление) прекращается. Характерной особенностью открытых агрегатов является постоянство внешнего давления (1 кг/см² » 0, 1 МПа), по­этому можно принять, что р_со=1 кг/см². Тогда зависимость (1.4) упрощается:

 

m = [С]× [О] » 0, 0025. (1.5)

 

Это означает, что в рассматриваемых условиях равно­весное остаточное содержание углерода в металле зависит только от концентрации кислорода, причем чтобы получить [C]_min, необходимо обеспечить [О]_mах. После достижения [O]_max и [C]_min окисление углерода прекратится, т. е. [С]_min и будет равновесным остаточным содержанием. Тео­ретически возможное максимальное содержание кислорода при температурах конца сталеплавильных про­цессов [O] = 0, 20÷ 0, 25 %. Приняв среднее значение [О] = 0, 23 % и подставив его в уравнение (1.5), полу­чим [с] = 0, 0025/0, 23 = 0, 01 %.

 

Вывод . В открытом стале­плавильном агрегате невозможно получить содержание уг­лерода < 0, 01 %, если даже шлак состоит только из окси­дов железа.

В реальной сталеплавильной ванне в конце плавки очень трудно получить шлак, содержащий более 50 % оксидов желе­за, поэтому максимальное содержание кислорода в металле составляет 0, 10÷ 0, 12 % и минимальное остаточное содер­жание углерода не бывает менее 0, 02 %. Получение такого низкого содержания углерода в металле в результате повы­шения активности оксидов железа в шлаке и кислорода в металле является нежелательным, так как приводит к рез­кому снижению выхода годного ввиду чрезмерного окисле­ния железа и повышенному износу футеровки агрегата.

 

3.2. Равновесное остаточное содержание углерода в металле при вакуумировании

Вакуумирование стали, как и продувка инертным газом, для смещения реакции окисления углерода вправо возмож­но по двум вариантам, позволяющим получить два различ­ных полезных эффекта.

1. Вакуумирование в условиях, когда в металл поступа­ет достаточное количество кислорода для окисления угле­рода и накопления его в металле, например из шлака (с доступом кислорода). При этом возможно достижение мак­симального обезуглероживания металла.

2. Вакуумирование без доступа кислорода, т. е. окисле­ние углерода только кислородом, содержащимся в металле к началу обработки. В этом случае обезуглероживание по­лучает меньшее развитие, но обеспечивается хорошее раскисление, которое принято называть вакуумно-углеродным.

В случае вакуумирования стали с доступом кислорода в основу определения равновесного остаточного содержания углерода в металле может быть положено уравнение кон­станты равновесия (1.2), сведя задачу к определению вели­чины m_вак. Согласно уравнению (1.2),

 

m_вак = [С] · [О] = р_со/К_с= 0, 0025 р_со. (1.6)

 

Можно принять р_со » р_ост — остаточному давлению над металлом (см. ниже). Обычно остаточное давление при вакуумировании в лабораторных условиях составляет 10^-6 кг/см² (0, 1 Па), а в производственных (1÷ 2)× 10^-3 кг/см² (100÷ 200 Па). Следовательно, согласно зави­симости (1.6), теоретически ожидаемые значения m должны быть в лабораторных условиях ~2, 5× 10^-9, в про­изводственных (2, 5÷ 5)× 10^-6. Однако удается достигать в лабораторных условиях m »1× 10^-5, в производственных m = (3÷ 4)× 10^-4, т. е. значения m _вак, полученные экспе­риментально, выше теоретически ожидаемых на несколько порядков. В связи с этим достигнутые экспериментально значения составляют [С] =0, 002÷ 0, 004 % и [О] = 0, 004÷ 0, 005 %; [C] = 0, 003÷ 0, 005% при [О] =0, 04÷ 0, 08 %. Согласно формуле (1.6), при р_со =2× 10^-3 кг/см² и [О] =0, 05 % [C]_min =0, 0025× 2× 10^-3/0, 05 = 0, 0001 %, т. е. в 30÷ 50 раз меньше практически достигае­мых результатов. Такое большое различие прежде всего объясняется тем, что при вакуумировании даже в производ­ственных условиях остаточное давление приближается к упругости пара железа, и происходит интенсивное испаре­ние железа, т. е. из металлической фазы удаляются не только углерод и кислород, но и железо. В реальных усло­виях обезуглероживание прекращается при концентрациях, существенно превышающих значения, определяемые из уравнения константы, равновесия, как в открытых агрега­тах, так и при вакуумировании. В первом случае это свя­зано с окислением железа, во втором - с его испарением. Кроме испарения железа, при вакуумировании могут дей­ствовать и другие факторы, препятствующие достижению теоретически ожидаемых результатов. Например, в случае обработки металла в ковше, помещенном в вакуумной ка­мере, к таким факторам относится воздействие слоя шлака. Если бы металл в ковше не был покрыт слоем шлака, то р_со было бы близко к остаточному давлению в камере р_ост, так как

 

P_oст = P_СО + P_Н2 + Р_N2 (1.7)

 

где P_Н2 и Р_N2 - парциальные давления водорода и азота; в период окисления углерода они обычно составляют не­большую величину [P_Н2+ Р_N2 » (0, 05÷ 0, 07) р_ост].

Следовательно, в этом случае можно получить заданное значение Р_СО, регулируя Р_ост. При этом принятие Р_СО » Р_ост является условием, при котором гарантируется получение конечного остаточного содержания углерода в металле не выше заданного, так как фактически Р_СО < Р_ост. Однако в ковше создать условия, близкие к идеальным, невозможно, металл покрыт слоем шлака, который создает дополни­тельное внешнее давление:

 

p_шл = g_шл× h_шл, (1.8)

 

где g_шл и h_шл — плотность шлака и толщина его слоя.

Кроме того, если шлак является гомогенным и исключа­ется образование пузырей СО на границе шлак— металл, то возникает новое дополнительное давление, включающее давление слоя металла р_м и капиллярное давление р_кап:

 

р_м + р_кап = g_м× h_м + 2s / r, (1.9)

 

s — поверхностное натяжение на границе металл—пузырь СО; r —радиус пузыря. Таким образом, в ковше со слоем шлака общее внешнее давление составит:

 

P_å = P_oст + p_шл + р_м + р_кап = P_oст + g_шл× h_шл + g_м× h_м + 2s / r (1.10)

 

Окисление углерода возможно лишь тогда, когда дав­ление выделения СО (Р = К_с [С] [О]) больше общего внешнего давления: Р > P_å или К_с [С] [О] > P_oст + g_шл× h_шл + g_м× h_м + 2s/ r.

Давления р_шл и р_м могут быть значительными. Например, при толщине слоя шлака 0, 1 м и плотности его 3, 5т/м³ р_шл » 3, 5 кПа, т. е. более чем в десять раз превышает обычное остаточное давление в вакуумной камере. Следо­вательно, регулированием р_ост нельзя управлять процессом обезуглероживания, решающее влияние на этот процесс оказывают р_шл и р_м, поэтому обезуглероживание в ковше, помещенном в обычной вакуумной камере, малоэффектив­но.

Этот вариант малоэффективен также для дегазации и вакуумно-углеродного раскисления. Более эффективными являются следующие способы вакуумирования: при пере­ливе металла из ковша в ковш, порционное и циркуляцион­ное. В указанных способах вакуумирования практически исключается влияние шлакового покрова на процесс обез­углероживания металла. Однако получение очень низкого остаточного содержания углерода ( £ 0, 001 %) в жидком металле даже при вакуумировании в кинетически благопри­ятных условиях (струйный режим) практическиневоз­можно.

Задача. Определить, возможно ли образование пузырьков СО при заданных условия при наличии над расплавом гомогенного шлака.

 

Исходные данные для самостоятельного решения

№	Т, °С	[O], %	[С], %	hшл, м	Poст, Па	hм, м	r, мм	s, мДж/2
		0, 0035	0, 8	0, 05		1, 5	0, 008
		0, 008	0, 5	0, 1			0, 007
		0, 06	0, 05	0, 05		0, 5	0, 006
		0, 007	0, 4	0, 1			0, 009
		0, 004	0, 2	0, 05		0, 5	0, 008

3.3. Равновесное остаточное содержание углерода в металле при продувке его нейтральным газом

Продувка металла нейтральным (инертным) газом техни­чески проще, а по своей физико-химической сущности явля­ется идеальным вариантом вакуумирования, поскольку пу­зыри инертного газа представляют абсолютный вакуум для других газов (водорода, азота, продуктов окисления угле­рода, серы и других примесей, дающих газообразные окси­ды). Чаще всего металл продувают аргоном, так как он абсолютно нейтрален и его содержание в воздухе наиболь­шее (~ 0, 9 %). В ряде случаев в качестве нейтрального га­за используют и азот, хотя при этом неизбежно некоторое повышение содержания его в стали. При обычном вакуумировании металла важнейшим параметром процесса являет­ся остаточное давление, при продувке металла — расход инертного газа. Максимальный расход нейтрального газа для обезуглероживания металла будет наблюдаться при продувке без доступа кислорода. В этом случае расход ней­трального газа может быть определен по формуле

 

V_н.г = [18, 67 m([С]_н - [С]_к) + 1, 5[С]_к([С]_н - [C]_к) +28[С]_к ([С]_н - - [C]_к)² - 18, 67[О]_н× [С]_к([С]_н - [C]_к), (1.11)

 

где V_н.г - расход нейтрального газа при нормальных усло­виях (давление 0, 1 МПа, температура 0°С), м³/т; р — общее внешнее давление, кг/см².

Как видно из зависимости (1.11), низкие конечные концентрации углерода могут быть достигнуты только при высоком рас­ходе инертного газа и низком начальном содержании угле­рода. Например, можно получить [С]_к » 0, 004 % при [С]_н = 0, 04 % и V_н.г = 5, 5 м³/т. Выполнение таких требова­ний не всегда экономически целесообразно, поэтому обез­углероживание металла продувкой его инертным газом без доступа кислорода обычно не применяют. Обычно к газу добавляют кислород и продувают металл этой смесью. Тогда эффективность обезуглероживания при продувке резко возрастает. Повышению эффективности продувки так­же способствует снижение внешнего давления, т. е. при одновременной обработке металла инертным газом и ваку­умом. Это видно из зависимости (1.11), согласно которой V_н.г и внешнее давление р связаны линейной зависимостью.

Задача. Определить максимальный расход инертного газа для обезуглероживания металла.

 

Исходные данные для самостоятельногорешения

 

№	[O]н, %	[С]н, %	[С]к, %	P, Па	m, т
	0, 027	0, 1	0, 01	105
	0, 013	0, 2	0, 015	104
	0, 025	0, 1	0, 02	103
	0, 015	0, 2	0, 03	105
	0, 026	0, 1	0, 015	104

 

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. БАЗОВАЯ ЧАСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ПРОГРАММНОГО МАТЕРИАЛА
2. БЛОК «ВОПРОС - ОТВЕТ» Карта распределения содержания работы по теме
3. В ЧЕМ СОСТОИТ СУЩНОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ОБУЧЕНИЯ ЛЕКСИКЕ
4. ВАРИАТИВНАЯ ЧАСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ПРОГРАММНОГО МАТЕРИАЛА
5. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей
6. Возрастные особенности содержания занятий.
7. ВОПРОС 32 / 33 КОЛЛИЗИОННОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ФОРМЫ СДЕЛКИ И СОДЕРЖАНИЯ
8. ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ КОМПЛЕКСА УПРАЖНЕНИЙ
9. Договор пожизненного содержания с иждивением
10. Договор ренты и договор пожизненного содержания с иждивением.
11. Задачи, направления аудиторских проверок, состав пользователей материалов аудиторских заключений, их направленности и содержания
12. Законность содержания сделки