РАЗДЕЛ 2. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ДЕГАЗАЦИИ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛА ПРОДУВОЧНЫМИ СМЕСЯМИ
Почти при всех способах производства сталей концентрация азота в готовом металле колеблется в пределах 0,002 - 0,008 %. Более высокие концентрации азота наблюдаются в сталях, легированных хромом, ванадием, алюминием или титаном. Углеродистые стали, содержащие до 0,7 % Mn и до 0,3 % Si, обычно имеют не более 0,002 - 0,005 % N. Исключение составляют стали, выплавленные в конверторах с продувкой через дно, бессемеровские или томасовские и высоколегированные стали, выплавляемые в дуговых печах. В высоколегированных сталях концентрация азота иногда поднимается до 0,018 - 0,025 %. Это объясняется возможностью диссоциации азота в районе электрической дуги на атомы.
Источниками азота при производстве стали служат шихтовые материалы, атмосфера плавильного агрегата, а также дутье (технический кислород или воздух), подаваемое на поверхность или вглубь металла. В таблице 2.1 приведено содержание азота в различных используемых в ДСП шихтовых материалах по данным авторов [101-102]. Так же источниками являются ферросплавы (табл. 2.2), раскислители и атмосфера окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.
Существенное количество азота вносится со скрапом, коксом и флюсующими материалами. Используют несколько основных стратегий (рисунок 2.1) для снижения содержания азота в металле ДСП: вспенивание шлака, кипение ванны за счет пузырьков СО при обезуглероживании, ограничение попадания азота с материалами (в том числе использование первосортного лома и шихтовых материалов - чугуна, железа прямого восстановления).
Таблица 2.1 -
Содержание азота в различных материалах используемых в сталеплавильном производстве [101]
Шихтовый материалСодержание азотаСкрап (металлолом)30-120 ppmЖелезо прямого восстановления (ПЖВ)20-30 ppmЖидкий чугун из ДП60 ppmХолодный чугун20-30 ppmГорячая шихта10 ppmКокс5000-10000 ppmКислород30-200 ppmВоздух для вдувания углерода 78%Газ для донного перемешивания (N2)99,9%Газ для донного перемешивания (Ar) 30 ppmИзвесть400 ppm
Рисунок 2.1 - Основные возможности снижения содержания азота в стали [102]
Таблица 2.2-
Содержание азота в различных ферросплавах, %.
ФерросплавЛитература[17]Приведено в [17][18][35]Ферромарганец доменный0,022-0,04-0,03-0,050,01-0,016Электротермический ферромарганец---0,01-0,014Силикомарганец0,019-0,039--0,025-0,035Феррохром:50% Сr, 5-6 % C0,004-0,012--0,012-0,02150% Сr, 1,2 % C0,0380,043--50% Сr, 0,72 % C---0,011-0,02950% Сr, 0,5 % C0,014---50% Сr, 0,2 % C0,02-0,039-0,01-0,03-Ферросилиций 75 % Si0,001-0,005следы--Ферросилиций 45 % Si0,001--0,0016Доменный ферросилиций--0,005-0,01-Феррониобий, 58 % Nb-0,0165--Ферротитан, 37 % Ti-0,0077--Ферровольфрам,83 % W-0,0086--Ферромолибден, 73 % Mo-0,0017--Никель пламенный-0,0025-0,0008Алюминий0,0005-0,001-0,0010,0008-0,0015
Из таблицы 2.2 следует, что при обычных масштабах присадок ферросплавов они не могут оказать заметного влияния на содержание азота в стали.
В отношении поступления азота из печной атмосферы мнения различных авторов расходятся. А.Н. Морозов считает [18], что в условиях окислительной атмосферы сталеплавильных печей азот практически не может переходить в расплавленный металл из-за оксидной пленки, образующейся в процессе плавления металла. Вероятно, интенсивность передачи азота из атмосферы в металл очень незначительна. Однако, есть мнения, что шлаки или окислительные пленки не могут полностью изолировать металл. Об этом свидетельствуют следующие факторы:
1) присутствие в газах, выделяющихся из расплавленной металлической ванны, азота [17], хотя при этом концентрация его в ванне далеко не всегда понижается;
2) повышение концентрации азота в металле в период замедленного окисления углерода или после раскисления и легирования металла в основной мартеновской печи [17];
3) некоторая, хотя и очень ограниченная, растворимость азота в жидких шлаках [17]. Наличие растворимости связано с диффузией азота в металле и распределением его между шлаком и второй фазой, способной его растворять.
Из вышеизложенных положений наибольшее возражение вызвало третье. А.Н. Морозов [18] отрицал возможность растворения азота в шлаках. Однако, в ряде работ авторов Н.М. Чуйко и М.А. Ковтун показано, что азот заметно растворим в шлаках восстановительного периода электроплавки [17]. В белых шлаках было найдено от 0,018 до 0,065 % N, а в карбидных шлаках около 0,2 %. По данным Эйлендера и Майера [106] в основных мартеновских шлаках в процессе плавки растворяется от 0,002-0,008 % N. Эти же значения характерны для шлаков окислительного периода электроплавки.
На содержание азота в стали влияет вспенивание шлака, которое позволяет снизить концентрации азота в металле на 0,001-0,002 %. Вспенивание шлака происходит при диспергировании в объеме жидкого шлака, выделяющегося из жидкой стали, монооксида углерода. Вспененный шлак представляет совокупность пузырьков монооксида и диоксида углерода, разделенных тонкими прослойками шлака. Размер пузырьков, составляющих дисперсную фазу, лежит в пределах от долей мм до нескольких см. Вспененный шлак является лиофобной дисперсной системой, в которой взаимодействие между фазами газ - металл незначительно, вследствие чего система проявляет тенденцию к самопроизвольному укрупнению частиц дисперсной фазы (пузырьков монооксида и диоксида углерода). Так как вспененный шлак является грубодисперсной системой (размер пузырьков газа от 10 -4 см и больше), он седиментационно неустойчив [103].
Образование и устойчивость вспененного шлака зависят от физико-химических свойств шлака (вязкость, поверхностное натяжение, температура) и от интенсивности и места газовыделения и распределения газовых пузырей по размерам. Все эт