Самораскипание сталеплавильной ванны

Использование идей синергетики при исследовании металлурги­ческих процессов может оказаться весьма плодотворным. Рассмотрим несколько примеров самоорганизации применительно к металлур­гии. Здесь следует отметить, что первые факты, указывающие на воз­можность саморегулирования некоторых металлургических процес­сов, стали появляться в работах исследователей металлургов еще в сороковых годах. Оформившаяся же в отдельное направление за по­следние годы теория самоорганизации позволяет привести эти факты в определенную систему и по-новому их осмыслить.

Реакция обезуглероживания, протекающая в системе шлак - металл, является ведущей для всех существующих сталеплавильных процессов и протекает по следующей упрощенной схеме:

Окисление углерода, растворенного в металле, может протекать только на пузырьках оксида углерода, которые, всплывая, перемеши­вают ванну (металл и шлак). Это явление придает данному гетероген­ному процессу условно автокаталитический характер. Периоду чистого кипения, который рассматривается в этом примере, предшествует пе­риод рудного кипения и наводки шлака, когда в ванну присаживают значительное количество руды, извести и боксита (для наводки шла­ка), что приводит к значительной неравновесности системы шлак - ме­талл. До тех пор, пока на границе шлак — металл плавают нерастворен- ные куски руды и извести, имеет место так называемое подшлаковое кипение. При этом визуально наблюдается слегка вспе­ненная поверхность шлака с небольшими, 1—2 см, волнами от мелких всплывающих пузырьков. По мере уваривания (гомогенизации) шлака фронт преимущественного протекания реакции начинает перемещать­ся вглубь металла, а ванна «закипает», как выражаются специалисты- металлурги ровным пузырем. Амплитуда холмиков от всплывающих (уже более крупных) пузырей составляет 3—5 см. Это кра­сивое явление обязательно наблюдается на каждой плавке (пока су­ществует мартеновский процесс), близкое к этому явление происхо­дит в окислительный период электроплавки. Период чистого кипения мартеновской ванны можно, по-видимому, считать одним из классических примеров пуассоновского поведения флуктуаций, которое можно визуально наблюдать в реальном физико-химическом процессе.

Однако это поведение, как правило, нарушается через 20—25 ми­нут от начала чистого кипения. При этом на большинстве плавок (лишь в большей или меньшей степени) происходит так называемое самораскипание ванны. Эволюция этого явления и отражается в виде горба на кривых 1 и 2 ошибок (дисперсий) макрокинетиче- ской модели обезуглероживания, построенной на основе баланса кислорода и углерода. При этом визуально наблюдаются весьма круп­ные буруны (холмы) высотой 10—15 см, что иногда сопро­вождается выбросом из агрегата шлака и даже металла (при больших присадках руды в период рудного кипения). Этому же моменту (с не­большим сдвигом во времени) соответствует минимум на графике концентрации оксида железа в шлаке.

Упрощенно явление самораскипания можно объяснить, по-види­мому, нарастанием степени неравновесности (градиента концентра­ций кислорода между металлом и шлаком) по ходу процесса гомогени­зации шлака и нагрева ванны. После того как на границе шлак—металл исчезли твердые поверхности, на которых были условия для образова­ния зародышей пузырьков оксида углерода, зародыши могут образо­вываться только на шероховатостях подины и откосов ванны, а также на всплывающих неметаллических включениях. Естественно, что для передачи кислорода через большую толщину (средняя глубина ванны 0,5 м) нужна большая движущая сила — градиент концентраций, ко­торый и начинает нарастать. Теперь нужен спусковой крючок для того, чтобы начался спонтанный процесс ускорения обезуглероживания например, отрыв небольшого участка футеровки ванны и образования свежей шероховатости.

Далее начинается, но существу, цепная реак­ция, когда увеличение скорости обезуглероживания приводит к интенсификации перемешивания, которое, в свою очередь, по положительной обратной связи ускоряет реакцию обезуглероживания и т. д. Это проис­ходит до исчерпания избыточного содержания оксидов железа в шла­ке (накопленном в предыдущем периоде как в питающем резервуаре), и процесс снова переходит на стабильный стационарный уровень, ванна кипит ровным пузырем теперь уже до конца чистого кипения.