И при его внепечной обработке

В связи со все возрастающими требованиями к качеству выплавляемых сталей даже "рядовых" назначений, а также благодаря появлению и развитию все новых эффективных средств "борьбы с газам в стали", этому вопросу посвящен ряд работ, в особенности в области вакуумной обработки стали. Учитывая то, что эти работы посвящены главным образом технологии промышленных способов дегазации металла и в меньшей степени теоретическим вопросам, авторы решили здесь лишь в общих чертах осветить эту проблему.

Во всех сталеплавильных агрегатах: подовых печах, кислородных конвертерах и в некоторых переплавных агрегатах металл во время плавки контактирует либо непосредственно с газовой атмосферой, содержащей от нескольких Па до 0,015-0,025 МПа водяного пара, либо этот контакт осуществляется через шлак, покрывающий металл. Водород растворяется в шлаках, либо в форме ионов ОН^– (в оксидных и карбидных шлаках), либо в форме других ионов в различных "переплавных" шлаках. Скорость поступления водорода в металл через шлак можно в первом приближении оценить через "проницаемость шлака", которую по качественной аналогии с проницаемостью водорода через металлические мембраны и стенки можно характеризовать величиной произведения:

S_Hk_Hd^–1 и S_Hm^–1d^–1, (164)

где S_H – растворимость водорода в форме гидроксида, зависящая от химического состава шлака и его температуры;

k_H – коэффициент диффузии водорода в шлаке;

d – толщина слоя шлака;

m – динамическая вязкость шлака.

Влиянием химического состава самого металла на растворимость в нем водорода можно пренебречь в связи с незначительностью изменений его состава за время плавки, приведенное выражение, естественно, пригодно только для оценки влияния отдельных входящих в него величин на поступление водорода к металлу и не пригодно для расчета абсолютных значений интенсивности изменений концентрации водорода в металле.

Кроме общеизвестных способов понижения парциального давления водяных паров в атмосфере сталеплавильных агрегатов: подбора соответствующих сортов топлива, просушивание или прокаливание применяемых сыпучих материалов и т.п., в распоряжении сталеплавильщика имеется довольно мощное средство для понижения концентрации водорода в металле. Это окисление углерода и барботирование металла пузырьками оксида углерода. Несмотря на то, что определению энергии перемешивания металла барботирующими пузырьками оксида углерода, изменению при этом коэффициентов тепло- и массопереноса в объеме металла, величине поверхности контакте газа и металла на различных уровнях всплывающих пузырей посвящено большое количество как исследовательских, так и вычислительных работ, все эти вопросы решены лишь приблизительно. Возникавшие при этом трудности связаны с неопределенностью положения участков зарождения пузырьков газа в объеме металла и на контактных поверхностях отдельных пузырьков оксида углерода при различных температурах, составах металла, шлака и активного слоя огнеупорной наварки или набивки при изменяющихся V_С, (G/F) или G/F_под и т.д.

Твердо установлено, что понижение концентрации в металле водорода и иногда азота связано со стремлением системы металл-инертный газ к равновесию распределения в них "активных" газов – водорода и азота. Значит, в конечном счете все решается законом распределения Сивертса: [H]=const и, если , близко к нулю, то и величина [Н] уменьшается за счет извлечения водорода в газообразную фазу. В то же время известно, что при увеличении интенсивности выделения оксида углерода, т.е. при увеличении имеет место увеличение массопереноса ионов ОН^– в шлаке, повышение эффективности контакта металла и шлака и увеличение коэффициента массопереноса водорода из шлака в объем металла.

Изменение концентрации водорода в подовом агрегате в общем виде можно выразить уравнением [191]:

, (165)

где k₁ – константа пропорциональности изменения концентрации водорода к изменению содержания углерода, т.е. скорости обезуглероживания;

– скорость поступления водорода из шлака в металл при неподвижной ванне;

k_г – константа пропорциональности скорости поступления водорода из шлака в металл и скорости обезуглероживания металла;

G – вес плавки; S – площадь пода печи;

G/S – удельная нагрузка на под.

Из приведенного уравнения видно, что для достижения отрицательных значений d[H]/dt необходима определенная скорость выгорания углерода при определенной нагрузке на под. Практика показала, что на критическую величину V_С влияет также ряд других факторов, не учитываемых в принципе приведенным уравнением [135].

При подовых процессах производства стали содержание водорода в металле в той или иной мере повышается после прекращения "кипения" ванны (раскисление металла в печи, "восстановительный" период электроплавки и т.п.). Это объясняется тем, что в отсутствие дегазации металла за счет выделения оксида углерода, продолжается поступление водорода в металл, в первую очередь из шлака вследствие приближения к равновесию распределения водорода между шлаком и металлом. В дальнейшем поступление водорода в металл продолжается вследствие наличия в атмосфере печи водяного пара, откуда водород переходит в шлак, и за счет массопереноса ионов гидроксила к металлу через толщу шлакового слоя. Некоторое торможение этого процесса возможно только за счет повышения в допустимых пределах вязкости шлака.

Некоторый подъем концентрации водорода в металле имеет место и вследствие повышенных концентрация его в присаживаемых раскислителях и легирующих сплавах. В качестве общей рекомендации в деле борьбы с повышением концентрации водорода в металле в конце плавки следует назвать устранение периодов безокислительной выдержки металла в печах и перенос процессов раскисления, легирования и выравнивания состава металла в ковш подобно тому, как это имеет место при конвертерном производстве, а также прокаливание ферросплавов перед их присадкой в металл.

ГЛАВА 7