Физико-химические процессы вакуумирования при ВПО. Термодинамика и кинетика дегазации стали. Технологические схемы. Основное оборудование

Контрольная работа №2

по предмету: «Электрометаллургия стали и спецэлектрометаллургия»

выполнил: Савченков Дмитрий Викторович

группа: МЧ-07-1д

преподаватель: Семин Александр Евгеньевич

Москва 2012г.

Физико-химические процессы вакуумирования при ВПО. Термодинамика и кинетика дегазации стали. Технологические схемы. Основное оборудование.

При вакуумировании происходят следующие процессы:

Углеродное раскисление в вакууме. Понижение давления в систе­ме существенно влияет на развитие процессов, протекающих с обра­зованием газовой фазы, в частности процесса окисления углерода.

Процессы дегазации. Из элементов, находящихся в обычных ус­ловиях при комнатной температуре в газообразном состоянии, в жид­ких стали растворены кислород, водород и азот.

Удаление кисло­рода из жидкой стали, содержащей элементы, которые понижают ко­эффициент активности кислорода, возможно при более низком давлении, но в практике внепечной обработки стали вакуумом не используются такое низкое давление

Удаление растворенных в стали газов при обработке вакуумом обусловлено уменьшением их парциального давления в атмосфере с уменьшением общего давления над металлом.

Растворимость водорода и азота в жидком железе по закону Сивертса

пропорциональна корню квадратному их парциального давления:

1/2H₂=[H]; K = [H ] /p^0,5_Н2

1/2N₂=[N]; K = [N]/ p^0,5_N2

Необходимо, однако, учитывать, что такое соотношение соблюдается лишь в том случае, когда двухатомный газ находится в растворе в виде про­стых частиц - атомов или ионов. При наличии химических связей между частицами растворенного газа и компонентами расплава наблюдаются от­клонения от закона Сивертса. Поэтому соотношения, описываемые этим за­коном, в практике сталеплавильного производства справедливы лишь для водорода, а для азота, который может взаимодействовать с компонентами расплава, часто наблюдаются заметные отклонения от закона Сивертса. К тому же ряд элементов (Cr, V, Al), которые в жидкой стали не связывают азот в нитриды, понижают коэффициент активности азота, уменьшая воз­можность его удаления.

Удаление растворенных в металле водорода и азота возможно по трем механизмам: 1) образование газовых пузырьков в металле и их всплывание; 2) удаление (десорбция) с поверхности раздела металл-атмосфера; 3) образование пузырьков на межфазной твердой поверх­ности и их всплывание.

Как было показано при рассмотрении реакции окисления углеро­да, гомогенное зарождение пузырьков СО невозможно вследствие большого капиллярного давления. Еще менее вероятна возможность образования в жидком металле пузырьков водорода или азота, кон­центрация которых весьма мала. Как будет показано, она обычно не­достаточна для преодоления даже одного ферростатического давления на глубине уже нескольких сантиметров. Поэтому первый из ука­занных механизмов не реализуется.

Процесс десорбции водорода и азота из жидкой стали можно представить состоящим из трех стадий:

1. Перенос растворенных в металле водорода и азота из объема к поверхности раздела с газовой фазой.

2. Адсорбция атомов водорода и азота в поверхностном слое жидкого металла: [H] = H_пов; [N] = N_пов.

3. Молизация адсорбированных атомов в молекулы и переход их в газовую фазу: 2H_пов = H₂; 2N_пов=N₂.

Скорость первой и второй стадий описывается уравнением пер­вого порядка:

dCldτ = -k(FlV)(C-C _пов ), (1)

где (C-C_пов) - градиент концентраций растворенного вещества рав­новесной в данный момент времени; k - константа скорости; F и V -соответственно поверхность и объем металла.

Скорость третьей стадии описывается уравнением второго порядка:

dC/dτ = F(k₂C² _{п ов} -k ₁ p), (2)

где k ₁ и k₂ - константы скорости прямой и обратной реакций; p -парциальное давление газа над расплавом.

Когда эта стадия является самой медленной, то C _пов = C, так как

концентрации газа в объеме и на поверхности успевают выравнивать­ся. Экспериментально установлено, что скорость удаления газов из металла описывается уравнением первого порядка. Следовательно, лимитирующей стадией рассматриваемого процесса является первая или вторая стадия. На основе закономерностей формальной кинетики трудно разделить влияние адсорбционных и диффузионных процес­сов. Даже влияние поверхностно-активных элементов (О, S) на про­цесс дегазации, используемый часто для оценки адсорбционной ста­дии, не является убедительным доводом в пользу этой стадии. Ведь поверхностное сгущение таких элементов вызывает уменьшение ак­тивной поверхности расплава, что согласно уравнению (2) приводит к замедлению переноса веществ. Поэтому по результатам экспери­ментальных данных принимают, что лимитирует процесс дегазации жидкого металла диффузионно-адсорбционная стадия, скорость которой описывается кинетическим уравнением (1). Интегрирование это­го уравнения приводит к уравнению:

C = C _р + (C ₀- C _р)exp(- kF V) τ, (3)

где C ₀ - исходная концентрация (при τ = 0).

Как видно из уравнения (3), время τ дегазации стали до задан­ной концентрации примеси с данными исходной и равновесной ее концентрациями уменьшается с увеличением константы скорости k и величины относительной поверхности F/V. Константу скорости

можно увеличивать повышением интенсивности перемешивания, а относительную поверхность - уменьшением объема металла.

Образование пузырей на твердой межфазной поверхности (тре­тий механизм) происходит при наличии на ней пор, размер которых должен быть достаточно велик для образования пузырька, имеющего радиус не менее критического, т.е. способного к самопроизвольному росту и, вместе с тем, достаточно мал, чтобы он не заполнялся жид­ким металлом. Первое из этих условий было рассмотрено при изуче­нии реакции окисления углерода, второе определяется углом смачи­вания твердой поверхности жидким металлом.

Условия образования пузырьков газа на твердой поверхности по­казаны графически на рис. Они возможны в области левее сплош­ных линий 1-4, определяющих условие зарождения пузырьков, соот­ветственно H₂ или СО, не менее критического радиуса, и ниже штрих-пунктирных линий 5, 6, определяющих возможность наличия пор, не заполненных жидким металлом.

Рис. Зависимость радиуса пор при об­разовании пузырей в огнеупорной кладке от глубины ванны и равновесного содер­жания водорода в металле, %: 4 10^–3 (1), 510^–4 (2), или равновесного р_СО (3 - 13 кПа, 4 - 26 кПа). Угол смачивания, град.: 10 (5), 60 (6)

Как видно на рис., образова­ние пузырьков водорода (кривые 1,2 и 5, 6) на твердой поверхности делается невозможным уже на глубине в несколько сантиметров. Пузырьки СО могут образовываться на глубине в десятки сантиметров (кривые 3, 4 и 5, 6).

Повышение интенсивности перемешивания металла способствует доставке реагентов к порам и отрыву пузырьков от твердой поверхности, что ускоряет процесс. Это же происходит при увеличении относительной поверхности контакта жидкой и твердой фаз, а также шероховатости последней.

Кроме трех перечисленных механизмов дегазации возможен еще один – переход газов из раствора (водород, азот) или вследствие химической реакции (СО) в готовые газовые пузырьки. Этот механизм в значительной мере реализуется при продувке жидкой стали аргоном.

Date: 2015-08-22; view: 1084; Нарушение авторских прав