РАСПЛАВЫ
4 • 2012
УДК 669.18
© 2012 г. А. В. Сычев1, В. И. Жучков, Е. Ю. Лозовая
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ ГРАФИТА, ВВОДИМОГО В РАСПЛАВ МЕТАЛЛА ИНЖЕКЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Изучен процесс растворения твердого углерода — графита — в расплаве стали. Расчеты выполнены при помощи математической модели, оценивающей плавление твердых добавок в жидком металле.
Ключевые слова: инжекция, растворение углерода, вдувание частиц.
В черной металлургии все большее распространение получают новые технологические процессы, основанные на вдувании в расплав порошкообразных материалов (ин-жекционные технологии). Значительное ускорение прохождения физико-химических реакций достигается при одновременном ускорении потоков расплава и увеличении реакционного контакта фаз при измельчении твердых компонентов в порошок, дроблении жидкости в капли, а газа в мелкие пузыри. Поэтому продувка металла в сталеплавильном агрегате или ковше с одновременным введением порошков обеспечивает максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с жидким расплавом, высокую скорость их взаимодействия и степень усвоения вдуваемых материалов.
Одним из основных материалов, используемых для вдувания в сталь, является углерод, применяемый для науглероживания металла в ковше или плавильном агрегате. Важная характеристика процесса науглероживания — время растворения углерода в жидкой стали. В настоящей работе для изучения процесса растворения твердого углерода за основу был взят метод, разработанный в УГТУ-УПИ и ИМет УрО РАН [1], при этом авторы использовали математическую модель плавления и растворения твердых добавок в жидком металле, предложенную ими.
Экспериментальная часть. В реальных условиях начальная температура куска материала, вводимого в сталь, Тв всегда меньше температуры кристаллизации стали Тк, поэтому сначала на поверхности куска образуется корка твердой стали [2—4]. Общее время растворения графита состоит из двух периодов: в первом периоде образуется и плавится корка твердой стали на частице графита, во втором растворяется графит.
Расчетным методом определена зависимость времени полного растворения углерод-содержащих материалов от температуры расплава, крупности и свойств материала. В качестве исследуемого углеродсодержащего материала выбрали искусственный графит двух разновидностей (см. таблицу).
За время растворения графита взяли промежуток между началом растворения и полным исчезновением твердой частицы графита. За стандартные условия принимали:
— жидкую сталь: Тк = 1500°С, Тв = 1550°С, теплота кристаллизации 1.79 ■ 1010 Дж/м3, коэффициент теплопроводности стали в жидком состоянии 30 Вт/(м ■ К);
— графит: сферическая частица диаметром 0.1—4.0 мм, начальная температура 20°С.
Рассчитана кинетика растворения частиц графита в статическом режиме (когда они
неподвижны относительно металла) в зависимости от температуры и крупности. Результаты расчетов приведены на рис. 1—3. Полное время растворения частицы графита зависит от продолжительности первого и второго периодов и уменьшается с ростом температуры расплава (рис. 1). Наиболее длительным был второй период растворения,
1Пт2000@та11.ги.
Свойства искусственного графита
Графит Теплоемкость, Дж/(кг • К) Теплопровод ность, Вт/(м • К) Плотность, кг/м3 Пористость, % Размер куска, мм
1 690 23.3 1350 9.0 0.1-4.0
2 850 92.2 1410 8.0 0.1-4.0
который составлял в зависимости от температуры 93.8—98.8% полного времени растворения. В этот период протекают процессы разрушения кристаллической решетки графита с переходом его в жидкую фазу и одновременным переносом вещества внутрь расплава. При повышении температуры с 1520 до 1610°С (на 90°С) время растворения незначительно снижается. Как следует из рис. 2, процесс растворения различных марок графита имеет общие закономерности, меньшее время растворения графита 2 связано, в основном, с более высокой его теплопроводностью (см. таблицу).
12.5
& о
11 Л
л «
10
'2.5
а В
1520
1540
1560 Г °с
(расп> ^
1580
♦ »
1600
1620
1
0
Рис. 1. Изменение времени растворения частиц графита 1 по периодам в зависимости от температуры расплава при диаметре частиц 2 мм; период растворения: 1 — первый, 2 — второй; 3 — общее время растворения.
Рис. 2. Зависимость времени полного растворения частиц графита диаметром 2 мм от температуры расплава; 1 и 2 — графит 1 и 2.
о 25
I"
Ф 20
а гра
я и н
е р
о в т с
а р
я
р
сч
15
10
1 2 3
Крупность частиц, мм
Рис. 3. Растворение графита 1 по периодам в зависимости от крупности частиц при 1550°С; 1—3 то же, что на рис. 1.
11
а
|ю.5
а гра
я и
н 10
е р
о в т с
& 9.5 я м
е р
СЧ
1
[-Чп-п—а- 2 -В-в- -□
2 4 6
Скорость движения графита, м/с
Рис. 4. Изменение времени растворения графита в зависимости от его скорости движения в расплаве для температуры 1550°С при диаметре частиц 2 мм. Здесь и на рис. 5 и 6 кривые 1 и 2 — графит 1 и 2.
В соответствии с полученными данными, увеличение крупности частицы графита с 1.0 до 2.0 мм приводит к линейному возрастанию времени растворения (рис. 3). Это объясняется тем, что при увеличении радиуса частицы материала возрастает ее масса, что ведет к повышению теплосодержания частицы, толщины намерзаемой стальной корки, а следовательно, и времени растворения.
Оценено влияние скорости движения графита в расплаве на время его растворения (рис. 4). Результаты расчетов показали, что значительное снижение времени растворения происходит при увеличении относительной скорости движения частицы с 0 до 1.0 м/с. Чем быстрее движется частица материала, тем интенсивнее происходит теплообмен, быстрее плавится образующаяся корка твердой стали.
Определена зависимость скорости всплывания частиц углеродсодержащего материала от их размеров (рис. 5). Скорость всплывания частиц углеродсодержащего материала рассчитывали по известному уравнению Стокса.
3
5
0
9
0
Крупность частиц, мм
Рис. 5. Зависимость скорости всплывания графита от крупности частиц при 1550°С.
Крупность частиц, мм
Рис. 6. Необходимая для полного растворения материала глубина погружения частицы (фурмы) в расплав в зависимости от ее крупности, при 1550°С.
Учитывая рассчитанные значения времени растворения и скорости всплывания частиц графита, определяли глубину введения (погружения) фурмы в расплав, обеспечивающую их полное растворение (рис. 6).
При изменении размера частицы от 0.1 до 1.0 мм скорость ее всплывания (для графита 1) увеличивается с 0.0044 до 0.44 м/с, при этом возрастает и время плавления с 0.3 до 4.9 с, а для частицы диаметром 4 мм скорость всплывания составляет 7.04 м/с, время растворения 21 с.
Глубина ввода фурмы, которая обеспечивает полное растворение частиц графита в расплаве металла, увеличивается с ростом размера частиц.
Выводы. В результате проведенных расчетов получены новые данные о влиянии температуры, размера частиц, скорости их ввода на время растворения графита в железоуглеродистом расплаве в статическом и динамическом режимах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жучков В.И., Носков А.С., Завьялов А. Л. Растворение ферросплавов в жидком металле. — Свердловск: УНЦ АН СССР, 1990. — 134 с.
2. Казачков И.П., Паримончик И. В. Кинетика плавления ферросплавов. — Изв. вузов. Черная металлургия, 1973. № 2, с. 55—59.
3. Крупман Л.И., Явойский В.И. О кинетике растворения ферросплавов в ста-леразливочном ковше. — Изв. вузов. Черная металлургия, 1965, № 9, с. 35—42.
4. Офенгенден А.М., Явойский В.И. К вопросу о кинетике растворения ферросплавов в жидкой стали. — В кн.: Теория и технология новых процессов в производстве стали: Сб. науч. тр. МИСиС. - М.: Металлургия, 1968, № 48, с. 151-155.
Государственное бюджетное Поступила в редакцию
Учреждение Российской академии наук 20 декабря 2011 г.
Институт металлургии
Уральского отделения РАН
(ИМЕТ УрО РАН)
Екатеринбург
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.