РАЗДЕЛ 2
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ ВЫСОКОМАРГАНЦЕВОЙ СТАЛИ 110Г13Л
2.1 Анализ процессов дефосфорации и обезуглероживания стальной ванны при выплавке стали
Высокомарганцевую сталь 110Г13Л различного функционального назначения выплавляют по действующим технологиям в дуговых электросталеплавильных печах основным процессом на свежей шихте с использованием углеродистого лома с дефосфорацией ванны и окислением углерода, а также способом переплава собственных отходов, при котором окислительный период и связанные с ним процессы дефосфорации и обезуглероживания ванны, как правило, отсутствуют.
Растворимость кислорода в железе. Термодинамический анализ процессов дефосфорации и окисления углерода, а также раскисления жидкой ванны в печи и ковше предопределяет необходимость рассмотрения температурных зависимостей растворимости кислорода в железе. Аналитический обзор литературных данных по растворимости кислорода в жидком железе показал, что экспериментальные данные различных авторов в ряде случаев существенно различаются, что как можно полагать, обусловлено особенностями методики определения, материалом тиглей и составом газовой фазы. Это прежде всего, относится к данным опытов, проводимых при высоких температурах и представляющим наибольший интерес для анализа реакций окисления углерода в сталеплавильной ванне в дуговой электропечи.
Ниже приведены результаты краткого анализа литературных данных, полученные исследователями в разные периоды времени, по разным методикам.
Одними из первых и наиболее часто цитируемых являются результаты исследования Д. Чипмана [38] по определению насыщенной концентрации кислорода в чистом железе, равновесной с оксидной фазой, содержащей 100% FeO при различных температурах. Это общеизвестная температурная зависимость описывается уравнением:
lg [0]нас = -6320/Т + 2,734, ( 2.1)
Равновесная концентрация насыщения кислорода, рассчитанная по этому уравнению при температуре 1873 К равна 0,23%. В более поздних исследованиях [39] установлено, что линейная зависимость lg [О]нас = f(l/T) растворимости кислорода в температурном интервале1896?2329 К не соблюдается. Для интервала температур 1896?2056 К более приемлема формула:
lg [О]нас = - 6629/Т + 2,939, ( 2.2)
а в интервале температур 2056?2329 К:
lg [0]нас = - 9830/Т + 4,496. (2.3)
Расчет по уравнению (2.2) для 1873 и 1973 К приводит к получению содержания кислорода 0,25% и 0,38%, а по уравнению (2.3) при 2173 К и 2273К соответственно 0,94% и 1,4%. Значительный интерес для теории и технологии электроплавки стали представляют новые данные о растворимости кислорода в железе, полученные в работах В.К. Бабича и М.В. Шишимирова [40]. Эти авторы провели прецизионное экспериментальное исследование растворимости кислорода в жидком железе в широком интервале температур 17730?2273°С при обдувке висячей в электромагнитном поле капли смесью аргон-гелий. Результаты этих исследований показали, что численные значения растворимости кислорода для трех интервалов температур от 1773 К до 2073 К не слишком различаются между собой:
lg[O]I = - 6300/T+ 2,73 (1773?1953 К), (2.4)
lg[O]II = - 5750/T + 2,43 (1873?2003 К), (2.5)
lg[O]III= -5327/T + 2,15 (1773?2073 К). (2.6)
Вместе с тем, полученные экспериментальные данные по растворимости кислорода в железе при более высоких температурах 1973?2273 К существенно расходятся. По предположению авторов [40] эти различия объясняются экспериментальными ошибками, связанными с колебаниями температур во время опыта в диапазоне ±50?60°С. Авторы [40] использовали технику плавления во взвешенном состоянии капли чистого вакуумированного железа массой 2,5 г. После установления параметров плавки: напряжения в 300 В и тока - 350?400 А образец начинал парить в твердом виде в индукционном поле катушки в кварцевой трубке. Для опытов применяли массивные медные патроны - изложницы для "мгновенной" кристаллизации капли. Содержание кислорода определяли методом вакуум - плавления на приборе "LECO". Температуру измеряли двухцветным оптическим пирометром "Миллетрон", объединенным с чувствительным потенциометром, который калиброван по точкам плавления Fe, Ti, Zr. Результаты опытов [40] представили на рис.2.1, из которого следует, что в интервале температур от 1773?2073 К данные экспериментов достаточно точно коррелируют с результатам других исследователей.
Рис.2.1. Влияние температуры на потери железа с испарением при обдувке капли Fe смесью Ar, O2 и при выдержке капли Fe с Fe2O3 на ее поверхности [40]
Но при температурах, превышающих 2073 К растворимость кислорода снижается (рис.2.2) и эта зависимость описывается уравнением:
lg[O] = +3957/T ? 2,29 (2073?2273 К), (2.7)
Для расчета растворимости кислорода в железе в интервале температур 1773?2273°С авторы [40] рекомендуют уравнение:
lg[O] = -9,083+4,018·103 /Т- 0,424(103/Т2), (2.8)
Рис.2.2. Влияние температуры на растворимость кислорода в железе [40]
Зависимость изменения энергии Гиббса образования FeO от активности кислорода рассчитывается для интервала температур 1773?2273 К по уравнению:
?G°= -20152+7,36T, Дж/ моль (2.9)
а для интервала температур 1773?1923 К по выражению:
?G°= - 25700+10,58T, Дж/моль. (2.10)
Таким образом, результаты исследований подтвердили предположения авторов [40], что при экспериментальном определении растворимости кислорода в железе для температур свыше 2073 К снижение растворимости кислорода вызвано, очевидно, интенсивным испарением железа.
Таким образом, анализ литературных данных о температурной зависимости растворимости кислорода в жидком железе свидетельствует, что в интервале относительно низких температур 1773?1973 К зависимость lg [О]= f(l/T) имеет линейный характер. Вместе с тем, при более высо