Влияние водорода на свойства стали

По мере увеличения скорости истечения газа (уменьшение размеров сопла при фиксированном расходе) на поверхности каверны образуется ряд капиллярно-гравитационных волн, рост амплитуды которых приводит к дроблению струи в хвостовой каверне /46, 85/. В этом случае уже наблюдается взаимодействие газового потока с жидкостью у стенок каверны и происходит разгон металла.

Взаимодействие газового потока с возмущенной поверхностью раздела может привести к возникновению нестационарных режимов волнового течения, сопровождающихся ростом амплитуды. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к возбуждению капиллярных волн, амплитуда которых растет. При этом определяющим является следующее явление.

Во впадинах волн за счет действия капиллярных сил, определяемых их кривизной, возникают растягивающие напряжения, величина которых может быть значительной и достаточной для возбуждения кавитационного зародыша. Следовательно, в расплаве возникают растягивающие напряжения. В момент времени, соответствующий достижению гребнем и впадиной волны условий максимального отклонения, вызванные скорости течения равны нулю. Следовательно, в этот момент в уравнении давления отсутствуют члены, содержащие динамическую часть давления и остаются только члены, учитывающие вклад капиллярных эффектов вида

?р = дз0К2ехр(Ку) (34)

где у - вертикальная координата.

Величина растягивающих напряжений во впадине согласно /35,46/ будет порядка:

?р = 4Р2д/л (35)

т.е. при д ~ 1 н/м и л ~ 10-5 м дает значения ?р порядка десятков кг/см2, что превышает порог кавитации ряда реальных жидкостей. Следовательно, возникающие растягивающие напряжения, безусловно, достаточны для возбуждения газовой кавитанции в жидкостях со значимыми парциальными давлениями растворенного газа, т.е. в жидкой стали. Основываясь на механизме возбуждения кавитационных зародышей у поверхности короткой капиллярной волны, была осуществлена оценка интенсивности зарождения газовой фазы. Поскольку согласно выдвинутому механизму /26/ возникновение газовой кавитации является следствием роста амплитуды волны и создания в металле зон растягивающих напряжений, то по существующим в гидродинамике представлениям, рост амплитуды капиллярной волны продолжается до тех пор, пока ее форма не становится самопресекающейся и не происходит «схлопывание» волны с захватом газового пузырька. При этом важным является то обстоятельство, что рост амплитуды волны продолжается до достижения значений растягивающих напряжений, достаточных для активации (роста) кавитационного зародыша. После активации рост пузырька продолжается до разрушения волнового фронта и выноса пузырька из зоны обработки.

Таким образом, за счет варьирования параметров дутьевого режима можно реализовывать условия кавитационного зарождения и использовать этот эффект для увеличения площади межфазной поверхности газ-металл. Использование кавитационного воздействия газовых струй дает возможность получить большую концентрацию мелких газовых (кавитационных) зародышей. Что и требуется для эффективного рафинирования металла.

Следовательно, главная задача струйно-кавитационной продувки состоит в том, чтобы инициировать в ванне расплавленного металла колебания, приводящие к разрыву сплошности жидкости, то есть образованию кавитационных полостей. Этим определяются требования дутьевых устройств и режиму дутья: они должны обеспечить высокую эффективность процессов дегазации стали.

3.1.2 Разработка технологии струйно-кавитационного рафинирования стали в большегрузных ковшах

Фурма для продувки представляла собой толстостенную металлическую трубу длиной 5,7 м, футерованную огнеупорными стопорными катушками марки СП-8. Наборка и сушка продувочных фурм осуществлялась на специальном участке разливочного отделения, оснащенного стендом для наборки. На первых опытно-промышленных плавках с применением фурм с щелевыми соплами возникла одна очень важная проблема. Как уже отмечалось выше, для реализации струйно-кавитационных режимов продувки требуются высокие давления нейтрального газа. В связи с этим при отгаре щелевого наконечника и соответствующего этому процессу резкому увеличению расхода газа происходил выброс металла и шлака из ковша. Для предотвращения этого на расстоянии 500-600 мм (более высоты огнеупорной катушки) от щелевого сопла вваривалась диафрагма с проходным сечением несколько большим, чем у щелевого наконечника.

При применении такой фурмы отгар щелевого наконечника не приводит к выбросам, т.к. расход газа будет ограничиваться пропускной способностью диафрагмы. Первый вариант (Щ1) представлял собой фурму с щелевыми соплами, расположенными перпендикулярно оси трубы с конусностью 5-30є, шириной на срезе 0,0025-0,03 внутреннего диаметра тракта подачи газа. Для интенсификации кавитационного процесса зарождения газовых пузырей в расплаве, в стенках щелевых сопел делались проточки, вызывающие при продувке акустическое поле, а также закручивание струи и большой угол раскрытия (60є против 20є). Продувку ведут при погружении фурмы на 2,2 - 2,5 м (не менее 70є % высоты слоя жидкого металла) и рабочем давлении аргона перед фурмой 0,4 - 0,5 МПа, когда продолжительность продувки должна быть не менее 3-х минут; в остальных случаях - не менее 4-х минут.

Обычная продувка без выбросов через фурму, представляющую собой футерованную полую металлическую трубу (диаметр 57 мм) происходит при давлении 0,2 - 0,4 МПа. Применение фурмы с щелевым наконечником позволило повысить давление до 0,51 - 0,91 МПа (нижний предел относится к низкоуглеродистым кипящим сталям, а верхний к спокойным сталям) без выплесков металла и шлака из ковша.

Продувка стали через щелевые сопла (фурма Щ1) с повышенным давлением газа изменила характер ее перемешивания в ковше. Например, продувка спокойной стали через щелевые сопла осуществлялась более мягко. Формирующаяся поверхностная волна была меньшей высоты (порядка 0,2 м), чем при продувке через цилиндрические фурмы. Однако перемешивание металла было более интенсивным. Это обстоятельство подтверждается увеличением зоны интенсивного перемешивания. Изменился и характер токов на поверхности металла, что хорошо наблюдалось при продувке стали под толстым слоем шлака, а также при присадках жидкого алюминия на зеркало металла. При продувке через щелевые фурмы на поверхности металла в зоне погружения фурм возникали вихревые токи с углом 25 - 40є, причем угол наклона этих токов определяется давлением газа перед фурмой (увеличение давления приводит к его росту). Этот факт наглядно подтверждается характером настылей на фурме, при продувке через фурмы с цилиндрическим соплом формируется кольцевой настыль с небольшим углом наклона, а при продувке через щелевые сопла настыль формируется под углом 25 - 45є к зеркалу металла.

Подтверждением интенсификации массопереноса в объеме ковша служит также более равномерное распределение химических элементов в стали. Однако фурма Щ1 имеет низкую пропускную способность, что ограничивает скорость подачи газа и, как следствие, приводит к недостаточной эффективности ковшевой обработки стали. Своеобразным было изменение характеристик роста при увеличении давления, после увеличения давления газа перед фурмой выше 0,51 - 0,61 МПа расход газа увеличивается незначительно. Это обстоятельство, очевидно, связано с достижением газом на выходе из щелевой фурмы скорости звука. Как известно, при указанной конфигурации сопла возможно достижение только дозвуковых скоростей истечения газа. Практическим следствием этого ограничения скорости истечения были выплески металла и шлака из ковша при дальнейшем увеличении давления.

Для устранения этого недостатка и повышения эффективности продувки расплава инертным газом и в конечном счете улучшения качества металла был разработан второй вариант щелевидной фурмы - Щ2. Фурма Щ2 состоит из металлической трубы, расположенной в футерованном корпусе, наконечника в виде щели, которая в продольном сечении выполнена в форме сопла Лаваля, а поперечном критическом сечении соотношение ее осей составляет 1 к (10-15). Такая конструкция позволяет с помощью фурмы Щ2 обеспечивать пульсации газового потока в том же диапазоне частот, что и Щ3, но в 2-2,5 раза увеличить скорость истечения газа в расплав.

Для продувки расплава через щелевидные фурмы использовали аргон. При переходе газа из несущей трубы в наконечник происходит снижение давления газа в результате гидродинамического удара о боковую поверхность щелевой насадки наконечника, при истечении газа в жидкую сталь через щелевидное сопло обеспечиваются его пульсации, следствием которых является мелкодисперсная газовая фаза, появляющаяся у наконечника.

Большая площадь поверхности раздела металл-газ обеспечивает переход растворенных в металле газов и захват неметаллических включений пузырьками газа, т.е. обеспечивает повышение качества металла. Кроме того, развитая поверхность контакта газ-металл вовлекает в циркуляцию значительные количества расплава, что улучшает усреднение стали по химическому составу и температуре. Изменение характера перемешивания наблюдалось при продувке кипящих и полуспокойных сталей. При продувке через фурмы с щелевидным соплом этих сталей даже при относительно низких расходе и давлении газа (45 - 50 м3/час и 40 - 0,55 МПа) характер перемешивания аналогичен продувке через фурмы с цилиндрическими соплами и расходом газа в 1,6 - 2 раза большим. Столь значительное увеличение интенсивности перемешивания кипящих и полуспокойных сталей при струйно-кавитационной обработке вызвано формированием развития кавитацинных пузырьков окиси углерода в объеме металла /17/, т.е. пузырьков, зародышами для образования которых послужили кавитационные полости, появившиеся в расплаве при данном режиме продувки. Подтверждением этого вывода служит и то, что на сталях, характеризуемых повышенным содержанием кислорода (например, низкоуглеродистых), это усиление перемешивания металла значительно выше.

Технологические показатели, полученные в результате опробования в мартеновском цехе ОАО «Уральская Сталь» продувки металла в ковше емкостью 250 т. через заглубленные фурмы с различными вариантами щелевидных сопел приведены в таблице 18.

Следует также отметить, что проведенное исследование показало и достаточно заметное изменение характера перемешивания от плавки к плавке и на спокойных сталях. Анализ газосодержания показал, что наиболее интенсивное перемешивание наблюдается на сталях с повышенным содержанием водорода и кислорода, что в свою очередь подтверждает кавитационный механизм зарождения газовой фазы. Подтверждением данного механизма служит также и то, что при длительной продувке в струйно-кавитационном режиме визуально наблюдается снижение интенсивности перемешивания стали в то время, как при продувке через цилиндрическое сопло интенсивность перемешивания стабилизируется на 2-3 - 3-й минуте и не меняется по ходу продувки. Снижение интенсивности при струйно-кавитационной продувке вызвано протеканием процесса дегазации металла, а следовательно, и снижением объема зарождающихся и развивающихся за счет кавитации газовых пузырьков. При продувке стали через фурмы с цилиндрическми соплами, усиление перемешивания за счет зарождения газовой фазы из металла практически не происходит. Поэтому после 2-3-х минутной продувки, необходимой для организации направленного перемешивания металла в ковше, происходит стабилизация процесса перемешивания и характеристики этого процесса не изменяются.

При использовании фурмы с соотношением осей щели сопла меньше, чем 1:10 не происходит интенсивного дробления струи, что приводит к образованию крупных пузырей инертного газа, т.е. имеет место крайне нежелательный процесс, для борьбы с которым собственно и была разработана продувка металла в ковше нестационарными струями инертного газа. В результате уменьшается (по сравнению с оптимальной) поверхность раздела газ-металл и соответственно замедляется переход растворенных газов в пузыри. Увеличение размера пузырей уменьшает количество вовлеченного в цилкуляцию металла, что приводит к неудовлетворительному перемешиванию расплава.

Аналогичный эффект наблюдается при использовании фурмы с соотношением осей более, чем 1:15. Здесь происходит значительное снижение динамического напора струи на выходе из сопла и уменьшение скорости истечения газа, что приводит к снижению дальнобойности струи и образованию крупных пузырей. В обоих случаях следствием является ухудшение качества металла.

Таким образом. Внедренная в 1986 году в мартеновском цехе продувка металла аргоном в ковше через погружную фурму с щелевидным соплом позволила несколько улучшить качество стали, не оказав, однако, существенного влияние на выравнивание химического состава металла во всем объеме ковша. Решающим преимуществом продувки расплава через щелевидное сопло по сравнению с цилиндрическим состоит в том, что оно позволяет получить в расплаве на поверхности струи кавитационные пузыри, тогда как при продувке стали в ковше через круглое сопло пузыри всплывают вдоль боковой поверхности фурмы, т.е. газ не рассредотачивается по всему объему ковша. Однако из-за низкой дальнобойности плоской одиночной струи и неупорядоченности гидродинамики расплава в ковше кавитационные пузырьки не разносятся по всему объему металла и, как следствие, общая масса расплава, контактирующего с газом, мала. Эффект от продувки металла в так называемом струйно-кавитационном режиме (СКР) обеспечивается за счет кавитации, возникающей при высокой скорости введения аргона в металл. Однако, как показали результаты многочисленных исследований /28/, на эффективность продувки, помимо давления газа и размера его пузырьков, очень важное влияние оказывает также и расход газа. Поэтому малое сечение сопла (45 мм2) не дает возможности для эффективного перемешивания металла.

Плоское сопло Лаваля (Щ2), создав условия для получения сверхзвуковой струи также не дало ожидаемых результатов из-за малого расхода аргона. Наиболее простым решением явилось бы увеличение площади сечения щелевидного сопла, что дало бы возможность увеличить расход газа.

Таблица 18 - Среднеквадратичное отклонение массовой доли химических элементов

по объему ковша

Однако это допустимо исключительно за счет удлинения щели, поскольку увеличение ее ширины ухудшает дробление газовой струи на пузырьки. Удлинение щели, в свою очередь, ограничено внутренним диаметром трубы - 33 м.. Отсюда и недостаточная эффективность продувки через щелевидную фурму.

В мартеновском цехе ОАО «Уральская Сталь» пытались устранить этот недостаток, придав соплу синусоидальную форму. Однако и это усовершенствование не позволило полностью решить проблему, поскольку площадь сечения сопла - около 55 мм2 все-таки осталась недостаточной.

Исходя из вышеизложенного была предложена конструкция фурмы с кольцевым соплом. В этом варианте при сохранении прежней толщины газовой струи - до 1,5 мм площадь сечения составила 95 - 140 мм2, что в 2-3 раза больше по сравнению с плоским щелевым соплом. Поскольку толщина так называемого «газового кольца» не возросла, то диспергирование газовой струи не должно было ухудшиться. Также не должна была снизиться эффективность механизма кавитационного зарожденя пузырьков.

Однако результаты опытно-промышленной компании, проведенной для сравнительной оценки эффективности фурм с плоским и кольцевым щелевым соплом, показали, что фурмы с кольцевым соплом неприемлемы для продувки расплава. На сердвевине наконечника очень быстро формировался «настыль», который перекрывал щелевое сопло и резко изменял характер продувки, что в свою очередь сказывалось на эффективности рафинирования стали. Поэтому в технологическую практику внепечной обработки стали инертным газом в струйно-кавитационном режиме (СКР) были внедрены фурмы с наконечниками, имеющими плоское щелевое сопло.

Опыт промышленного применения этих фурм на ОАО «Уральская Сталь в 1986-1991 гг. показал, в свою очередь, что возможности СКР ограничены: хотя продувка расплава аргоном в ковше через погружную фурму со щелевым соплом позволила несколько улучшить качество стали, она не оказала существенного влияния на выравнивание химического состава металла во всем объеме ковша, удаление из стали неметаллических включений, ее дегазацию и т.д.

Таким образом, производственные испытания в дополнении к данным лабораторных исследований объективно свидетельствуют о том, что максимальное повышение эффективности ковшевой обработки стали достижимо при продувке расплава нестационарным потоком инертного газа с амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) пульсаций дутья, охватывающими следующие диапазоны частот:

- инфразвуковой (4 - 10 Гц), в котором интенсифицируются массообменные процессы в объеме ванны:

- звуковой (300 - 500 Гц), в котором интенсифицируется дробление газового потока на пузыри, перемешивание металла непосредственно в зоне продувки и увеличивается поверхность контакта расплав-газ, на которой протекают процессы десорбции растворенных газов.

На основании этих результатов проводилась дальнейшая разработка дутьевого

режима обработки стали нестационарными струями инертного газа, конструировались и изготавливались фурмы для его реализации.

3.2 Интенсификация перемешивания металла и повышение поверхности контакта расплав - газ

Десорбция водорода и азота из жидкой фазы стали протекает на поверхности раздела с газообразной фазой. Такой поверхностью может являться свободная внешняя поверхность жидкого металла (незащищенная шлаком поверхность жидкого металла в вакуум-камере). Процессу десорбции газа с поверхности будет предшествовать перенос растворенных в металле атомов газа в молекулы на этой поверхности. Скорость переноса десорбирующихся молекул газа в объеме газовой фазы исключительно высоко и в промышленных условиях не может влиять на скорость всего процесса в целом. Поэтому процесс десорбции водорода и азота из стали можно представить себе состоящим из двух кинетических стадий:

- поступление растворенных в металле газов из объема металла на границу его раздела с газовой фазой;

- молизации растворенных атомов газа на поверхность раздела и их переход в газовую фазу.

Скорость всего процесса в целом будет лимитировать из кинетических стадий, скорость которой минимальна. Если скорость второй стадии (собственно десорбция молекул газа с поверхности) значительно превышает скорость массопереноса растворенных атомов газа из объема жидкости на внешнюю поверхность, процесс протекает в диффузионной области и описывается уравнением /30/.

(36)

где б - коэффициент скорости массопереноса растворенного вещества, см/с;

F - площадь поверхности раздела газ-металл;

Vмет - объем металла;

(С-Спов) - градиент концентрации, в случае десорбции измеряемый разностью

между средней концентрацией растворенного вещества в объеме

жидкости и на ее поверхности.

После интегрирования получим:

(37)

где Со - начальная концентрация газа в металле

Концентрация растворенного в поверхностном слое газа, в этом случае, будет приближаться к равновесному с его парциальным давлением в газовой фазе, и при значительном разрежении она стремится к нулю, отсюда

(38)

При относительно больших значениях удельной поверхности процесс дегазации протекает в диффузионной области и контролируется скоростью массопереноса в объем жидкого металла. Поэтому скорость дегазации металла в вакууме будет определяться интенсивностью его перемешивания, т.е. величиной коэффициента скорости массопереноса б,, и удельной поверхностью металла.

Процесс дегазации стали имеет колебательную природу и характеризуются собственной частотой. Протекание этого процесса можно ускорить или замедлить, т.е. изменять в желательном направлении, а следовательно, управлять технологическими режимами и повысить эффект дегазации стали путем введения в резонанс желательных процессов. Реальным способом передачи расплаву в ковше колебаний с заданным набором частот является продувка его пульсирующим (нестационарным) потоком газа, вместо используемого в настоящее время в практике непрерывного дутья.

Пульсации газового потока вызывают колебания пузыря, когда последний периодически изменяет свою форму от сферической к эллипсоидной и обратно.

В результате этих колебаний увеличивается площадь межфазной границы газ-металл, что позволяет ускорить протекающие в нем процессы, к которым относится и дегазация металла. Следовательно, повышение эффективности дегазации стали в процессе продувки ее пульсирующим потоком инертного газа при внепечной обработке обусловлено в основном увеличением поверхности контакта газ-расплав, которое вызвано колебанием газовых пузырьков и диспергированием струи продуваемой газом на пузырьки меньшего размера.

Другой важной особенностью является то, что при пульсирующем режиме продувки газовые пузырьки поднимаются в ковше более широким фронтом и распределены по сечению ковша более равномерно /15/.

Увеличение площади поверхности раздела фаз при пульсирующей продувке существенно зависит от природы жидкости, ибо при продувке спиртов увеличение ее незначительно, в то время как при продувке ртути поверхность пузырей увеличивается в 1,7 раза (частота колебания 3,5 кГц).

Параметром, определяющим склонность жидкости к образованию пузырей, служит критический радиус с пузыря, при котором наступает его деление /31/.

(38)

где д - поверхностное натяжение расплава

u - скорость всплывания пузыря

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8