Физико-химические особенности десульфурации

Содержание

1. Анализ современного состояния производства колесной стали………..3

2. Физико-химические особенности десульфурации……………….……...5

3. Десульфурация колесной стали……………………………………….…..6

4. Литература ………………………………………………………………..13

Анализ современного состояния производства колесной стали

В мировой практике производства цельнокатаных колес используют углеродистые стали, содержащие углерод в широком интервале концен­траций от 0, 4 до 0, 8 %, что связано с работой колес в различных условиях эксплуатации и использованием их при тяжелых грузовых и скоростных пассажирских перевозках. Техническими условиями Международно­го союза железных дорог (UIC) и Международной организации по стан­дартизации (ISO) оговорен химический состав колесной стали, выплавляе­мой в различных странах (таблица 5.11). Европейская система контроля колес включает испытания образцов на растяжение и удар, оценку твердости по сечению обода и характеристи­ку загрязненности эндогенными включениями (UIC 812.3; ISO 1005.6; ГОСТ 10791-2011). В новых проектах международных стандартов (EN 13262, ГОСТ 10791-2011) на колеса существенно ужесточаются требования к их качеству.

Для колес из низкоуглердистых сталей повышены требования к чис­тоте стали по эндогенным включениям. Загрязненность сульфидами для колес 1-ой категории уменьшена в 7 раз с 3, 5 балла до 0, 5 балла, а суммар­ная загрязненность оксидами - более чем в 6 раз до уровня 1, 5 балла. Для колес второй категории загрязненность сульфидами уменьшена соответст­венно в 2 раза, а оксидами - в 4 раза.

Ужесточаются также требования к оценке и уровню значений удар­ной вязкости в колесах или к характеристике, оценивающей не только кон­струкционную прочность, но и склонность стали к хрупкому разрушению

Таблица 1.1 Химический состав колесной стали в соответствии с требованиями стандартов КО, ШС, СССР, США, Англии, Японии

Физико-химические особенности десульфурации

Из практики производства электростали в дуговых печах известно, что в восстановительный период процессы раскисления и десульфурации металла протекают очень медленно, особенно в больших печах с глубокой ванной, по-этому их проводят в ковше-печи. В общем случае скорость раскисления и десульфурации при взаимодеиствии металла со шлаком выражается уравнением:

(2.1)

где — время, с; — коэффициент массопередачи, зависящий от скорости диффузии в металле и шлаке и мощности перемешивания метал­ла со шлаком; F _yд - удельная поверхность контакта металла со шла­ком, равная отношению общей контактной поверхности F, м², к объему металла V, м³; [С] — концентрация кислорода и серы в металле, %; [С]_р — равновесные концентрации кислорода и серы, %.

Равновесные концентрации рассчитываются по уравнениям:

(2.2)

где L_s— коэффициент распределения серы между металлом и шлаком. Коэффициенты массопереноса , диффузии D₀ и D_s неразрывно связаны с вязкостью шлака и металла. По уравнению Эйнштейна, при постоянной температуре и заданном размере частиц произведение коэффициентов вязкости и диффузии D — величина постоянная ( D — const).

Вязкость шлака примерно в 10—100 раз больше вязкости металла, а коэффициент диффузии в шлаке во столько же раз меньше, чем в метал­ле. Отсюда следует, что лимитирующим звеном скорости реакции при обработке металла шлаком в ковше является скорость диффузии в шлаке.

Для увеличения скорости процессов десульфурации не­обходимо уменьшать вязкость шлака за счет повышения:

₀ == (2.3)

Скорость десульфурации при взаимодействии металла со шлаком прямо пропорциональна удельной поверхности, приходящей­ся на единицу объема металла. Наиболее простым и эффективным мето­дом увеличения F_yд является эмульгирование шлака при выпуске ме­талла из печи в ковш с большой высоты. Значение F_yд резко возрас­тает с ростом степени эмульгирования шлака и с уменьшением радиуса частичек шлака. Радиус шлаковых капелек:

(2.4)

где —межфазное натяжение, мДж'м², С — коэффициент обтекае­мости шлака в жидком металле (С 1); Н — высота падения струи металла, м; — плотность металла, кг/м³.

Чистота металла по шлаковым включениям зависит от скорости слия­ния мелких капелек шлака, скорости всплывания шлаковых включений и длительности выдержки металла в ковше. Скорость слияния двух ка­пелек одинакового радиуса, по литературным данным, прямо пропорцио­нальна межфазному натяжению и обратно пропорциональна вяз­кости шлака :

(2. 5)

Следует учитывать, что изменяется в один — два раза, а может изменяться в пять — десять раз, поэтому на скорость укрупне­ния шлаковых частиц решающее влияние оказывает вязкость шлака [1].

Скорость всплывания шлаковых частиц в металле приближенно опре­деляется по закону Стокса:

(2.6)

где g — ускорение силы тяжести, м/с²; r — размер (радиус) частицы; р_ш — плотность шлака.