О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами
Использована методология физико-химического моделирования для анализа результатов взаимодействия расплавов чугуна с углеродистыми блоками кладки горна доменных печей. Установлено, что для повышения стойкости этих блоков необходимо повышать степень науглероживания чугуна и вводить в их состав а...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21911 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами / В.Ф. Мороз, Д.Н. Тогобицкая, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21911 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мороз, В.Ф. Тогобицкая, Д.Н. Ходотова, Н.Е. 2011-06-20T07:50:38Z 2011-06-20T07:50:38Z 2007 О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами / В.Ф. Мороз, Д.Н. Тогобицкая, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. XXXX-0070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21911 669.16:046.542 Использована методология физико-химического моделирования для анализа результатов взаимодействия расплавов чугуна с углеродистыми блоками кладки горна доменных печей. Установлено, что для повышения стойкости этих блоков необходимо повышать степень науглероживания чугуна и вводить в их состав антиоксиданты и добавки, способствующие образованию микропористой структуры ru Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии Производство чугуна О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| spellingShingle |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами Мороз, В.Ф. Тогобицкая, Д.Н. Ходотова, Н.Е. Производство чугуна |
| title_short |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| title_full |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| title_fullStr |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| title_full_unstemmed |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| title_sort |
о взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами |
| author |
Мороз, В.Ф. Тогобицкая, Д.Н. Ходотова, Н.Е. |
| author_facet |
Мороз, В.Ф. Тогобицкая, Д.Н. Ходотова, Н.Е. |
| topic |
Производство чугуна |
| topic_facet |
Производство чугуна |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии |
| publisher |
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України |
| format |
Article |
| description |
Использована методология физико-химического моделирования для анализа
результатов взаимодействия расплавов чугуна с углеродистыми блоками кладки
горна доменных печей. Установлено, что для повышения стойкости этих блоков
необходимо повышать степень науглероживания чугуна и вводить в их состав
антиоксиданты и добавки, способствующие образованию микропористой структуры
|
| issn |
XXXX-0070 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21911 |
| citation_txt |
О взаимодействии чугуна с углеродистыми материалами / В.Ф. Мороз, Д.Н. Тогобицкая, Н.Е. Ходотова // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2007. — Вип. 14. — С. 95-101. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT morozvf ovzaimodeistviičugunasuglerodistymimaterialami AT togobickaâdn ovzaimodeistviičugunasuglerodistymimaterialami AT hodotovane ovzaimodeistviičugunasuglerodistymimaterialami |
| first_indexed |
2025-11-24T03:13:01Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:13:01Z |
| _version_ |
1850839308796166144 |
| fulltext |
95
УДК: 669.16:046.542
В.Ф.Мороз, Д.Н.Тогобицкая, Н.Е.Ходотова
О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЧУГУНА С УГЛЕРОДИСТЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Использована методология физико–химического моделирования для анализа
результатов взаимодействия расплавов чугуна с углеродистыми блоками кладки
горна доменных печей. Установлено, что для повышения стойкости этих блоков
необходимо повышать степень науглероживания чугуна и вводить в их состав
антиоксиданты и добавки, способствующие образованию микропористой структу-
ры.
Анализ состояния проблемы. Срок службы доменных печей с диа-
метром горна 11–16м длительностью в 10–15 лет стал нормой. Увеличе-
ние продолжительности компании печей до 20 лет ограничено стойкостью
огнеупорной футеровки в горне, особенно в области стыковки горна и
лещади, т.е. стойкостью углеродистых блоков.
По степени возрастания потенциальной опасности для современных
углеродистых футеровочных материалов в нижней части доменной печи
виды воздействия располагаются в следующем порядке [1]: высокая тем-
пература, термические и тепловые напряжения, взаимодействие со щело-
чами, проникновение в поры жидкой фазы, окисление водой из протечек,
выделение в порах углерода из–за распада СО по реакции 2СО→С+СО2,
взаимодействие с чугуном (химическое – коррозия и механическое – эро-
зия), ошибки конструкции и, наконец, неровный ход печи и длительные
простои. Таким образом, взаимодействие жидкого чугуна с углеродисты-
ми блоками является по степени воздействия на их стойкость одним из
наиболее значимых.
Анализ последних достижений и публикаций. Растворимость раз-
личных форм углерода растет в ненасыщенном по углероду чугуне в сле-
дующей последовательности: антрацит, природный графит, искусствен-
ный графит, пековый кокс [1]. Как показывает анализ экспериментальных
данных [1–4] растворимость углерода в расплавах железа, Fe–Si и чугунах
определяется как свойствами углеродистых огнеупоров, так и составом
расплавов – содержанием в них углерода и других составляющих,
влияющих на растворимость углерода.
Постановка задачи. В работе [2] изучена растворимость углероди-
стых огнеупоров различного состава (табл.1) методом вращающегося ци-
линдра, что позволяет моделировать воздействие конвективных потоков
чугуна на процесс коррозии углеродистых огнеупоров, используемых для
кладки лещади и горна доменных печей.
96
Таблица 1. Химический состав углеродистых огнеупоров
Содержание компонентов, масс.% Тип
огне-
упора
C Feобщ SiO2 Siмет SiC Al2O3 CaO MgO Na2O K2
O
Зола
A 80,4 0,89 1,88 4,6 6,1 0,89 0,16 0,1 0,03 0,06 19,3
B 66,4 1,34 7,20 3,3 19,7 0,45 <0,1 <0,1 0,04 0,09 33,5
C 92,4 0,36 0,64 <0,2 0,6 1,33 0,17 0,4 0,03 0,06 5,1
D 86,1 0,31 2,56 2,2 1,3 1,55 <0,1 0,15 0,03 0,15 11,8
Как видно из данных табл.1 в состав трех огнеупоров введены Siмет и
SiC для уменьшения среднего размера пор с целью предотвращения ин-
фильтрации чугуна в огнеупор и уменьшение вследствие этого износа
последнего.
Изложение основных материалов исследования. Обработка экспе-
риментальных данных по растворимости огнеупоров (насыщению чугуна
углеродом) при температуре 15400С и расчет скорости растворения (Δc/Δt,
%/мин) и степени насыщения чугуна углеродом – (Сфакт./Снас) показали
(рис.1), что скорость растворения исследованных огнеупоров (скорость
науглероживания чугуна) падает практически до нуля при степени насы-
щенности чугуна по углероду выше 0,8. Здесь и далее Снас рассчитывалось
по формуле И.С.Куликова [5]:
][%022,0][%38,0][%33,0][%34,01054,234,1 3 MnSPSitCнас ++−−−⋅+= − (1)
Следует отметить, что инфильтрация чугуна в огнеупор не обнаруже-
на.
Рис.1. Изменение скорости наугле-
роживания чугуна от степени его
насыщенности по углероду
Для изучения влияния со-
става чугуна и золы углеродсо-
держащих материалов на рас-
творение в нем углерода ис-
пользованы физико–
химические модели металличе-
ских расплавов с ОЦК–
подобной структурой и шлако-
вых (оксидных расплавов). Ме-
тодика расчета интегральных параметров этих моделей изложена в работе
[6], а их расчет реализован на ПЭВМ в программах «Металл» и «Шлак».
Изучение влияния состава чугуна (табл.2) на растворимость в нем
графита [3] показало, что скорость растворимости углерода в чугунах раз-
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Сфакт.\Снас.
dC
/d
t,
%
С
\м
ин
A B C D
97
ного состава (по Si, S, Mn и P) и одинаковом начальном содержании угле-
рода (2,12 %) приближается к нулю при насыщенности чугуна углеродом
выше 0,85–0,90 (рис.2).
Таблица 2. Химический состав и интегральные параметры межатомного
взаимодействия чугунов
Содержание элементов,
масс.%
t,
°С
d·
10–1нм
ZY, e
tgα Снас
%
μ,1/
(cм2·ч)
№
п/п
C Si S Mn P
1 2,12 3 0,3 1 1 1550 2,5033 1,4225 0,0909 4,21 0,408
2 2,12 3 0 0 0 1550 2,5007 1,3700 0,0908 4,20 0,304
3 2,12 0 0,3 0 0 1550 2,5399 1,2805 0,0908 5,16 0,518
4 2,12 0 0 1 1 1550 2,5403 1,3224 0,0908 5,27 0,570
5 2,12 3 0,3 1 0 1475 2,5072 1,3964 0,0908 2,94 0,148
6 2,12 3 0 0 1 1475 2,4970 1,3967 0,0909 2,97 0,338
7 2,12 0 0,3 0 1 1475 2,5351 1,3102 0,0909 5,00 0,370
8 2,12 0 0 1 0 1475 2,5453 1,2929 0,0907 5,23 0,296
9 2,12 1,5 0,15 0,5 0,5 1512 2,5200 1,3514 0,0908 4,47 0,370
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Сфакт./Снас.
dC
/d
t,
%
C
/м
ин
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис.2. Зависимость скорости насыщения углеродом чугунов различного состава
углерода от степени их насыщенности по углероду
Массоперенос углерода в жидких чугунах связан с их температурой и
интегральными параметрами межатомного взаимодействия (d, ZY и tgα)
(табл.2), являющихся сверткой состава, регрессионным уравнением:
μ = –97,31 + 0,002165t + 429d – 0,17ZY + 922,87tgα (r=0,92) (2)
98
Следует отметить, что для расплавов чистого железа и железа с 3% Si
[4] растворимость углерода практически прекращается при степени на-
сыщенности расплавов по углероду выше 0,9 (рис.3).
Приведенные выше результаты показывают, что растворение углеро-
да в чугунах и других расплавах на основе железа происходит с заметной
скоростью вплоть до степени насыщения этих расплавов по углероду рав-
ной 0,8–0,9 и определяется как составом и свойствами углеродистых ог-
неупоров, так и составом и температурой расплавов.
Предотвратить или значительно снизить взаимодействие чугуна с уг-
леродистыми блоками можно несколькими путями.
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Сфакт./Снас.
dC
/d
t,%
С
/м
ин
1560C 1600C 1650C 1700C
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Сфакт./Снас.
dC
/d
t,%
C
/м
ин
1560C 1600C 1650C 1700C
а)
б)
Рис.3. Зависимость скорости науглероживания расплавов Fe(a) и Fe – 3 % Si (б) в
зависимости от степени насыщенности по углероду.
99
Так, чугун поступающий в горн через коксовую насадку, должен быть
науглерожен последней до Сфакт./Снас.чуг.≥ 0,9, т.е. химическая активность
углерода коксовой насадки должна быть выше таковой у углеродистых
блоков и обеспечивать необходимую степень насыщения чугуна углеро-
дом.
Углеродистые блоки состоят в основном из антрацита и пекового кок-
са, который наименее устойчив, т.е. наиболее растворим в чугуне, и по-
этому требует защиты.
Введение антиоксидантов (тугоплавких огнеупорных оксидов метал-
лов в виде защитной пленки или заполнителей пор) повышает стойкость
против растворения в ряду SiO2, MgO, Al2O3 и при их количестве 7,5%
гарантирует эффективную стойкость против растворения [7].
Приведенные в работе [7] данные по растворению углерода кокса в
чугуне при добавках к золе кокса в количестве 7,5% MgO, Al2O3,, SiO2,
CaO и Fe3O4 , что добавки MgO, Al2O3 и SiO2 пассивируют углерод кокса
и снижают его растворимость в чугуне. Анализ этих данных позволил
установить связь растворимости углерода (Сэксп., %) кокса в чугуне (тем-
пература 15400С, время растворения – 20 мин) с параметрами межатомно-
го взаимодействия (d, Δe, tgα, ρ) (табл.3) оксидной системы зола + добав-
ка (табл.3) в виде регрессионного уравнения:
ρα 18,983,7529,341,1090,4,%. −−Δ++−= tgedСраств (r=0,96) (3)
Таблица 3. Параметры межатомного взаимодействия
Добавки к
коксу
d⋅10–1,
нм
–Δе tgα ρ Сраств
эксп.
Сраств
расч.
без добавки 3,173 3,842 0,114 0,603 3,53 3,70
7,5% MgO 3,434 3,626 0,158 0,766 1,96 3,31
7,5% Al2O3 3,008 2,872 0,141 0,658 2,36 3,38
7,5% SiO2 3,144 4,114 0,115 0,584 2,39 3,43
7,5% CaO 3,019 2,544 0,138 0,758 2,83 3,74
7,5 % Fe3O3 3,446 4,239 0,116 0,681 4,18 4,04
Сопоставительное значение экспериментальных и рассчитанных зна-
чений растворимости углерода кокса с оксидными добавками представле-
но на рис.4.
Поэтому в последнее время для увеличения стойкости углеродистых
блоков к чугуну в состав блоков добавляют смеси окислов, которые при
их обжиге образуют муллит – 3CaO·2SiO2 и другие соединения, обладаю-
щие исключительно высокой стойкостью к чугуну. Использование угле-
родистых блоков с такой защитой дает возможность достижения 20–
летней службы доменной печи.
Следует обратить внимание еще на один аспект разрушения углеро-
дистых блоков – инфильтрацию чугуна.
100
Условие самопроизвольной пропитки, согласно [8], записывается в
виде:
σжг cosθ > 0,
где σжг – поверхностное натяжение; θ – краевой угол смачивания, т.е. cosθ
однозначно определяет возможность пропитки. Приводимые в литературе
данные по θ для чугунов на графитовой подложке дают значения его ве-
личины более 900. С другой стороны, для расплавов Fe–C в работе [9]
приводятся значения меньше 900 при содержании углерода <3%. Таким
образом, самопроизвольная инфильтрация чугуна в углеродистые блоки
возможна при содержании в нем углерода <3%. При более высокой кон-
центрации углерода в чугуне, когда cosθ <0, самопроизвольная инфильт-
рация невозможна даже при приложении внешнего давления.
Считается, что проникновение жидких фаз (чугуна и шлака) возможно
при размере пор ≥ 3 мкм, а при размере пор <1 мкм пропитка считается
невозможной. Для образования микропористой структуры (диаметр пор
≤ 1 мкм) в углеродистые огнеупоры добавляют металлический кремний,
который при обжиге блоков вызывает образование SiC, SiO2.
Заключение. Таким образом, повысить стойкость углеродистых ог-
неупоров в горне и лещади доменных печей можно за счет увеличения
степени науглероживания чугуна до 0,9 и выше и защиты углеродистых
блоков от коррозионного и эрозионного воздействия введением в их со-
став антиоксидантов (Al2O3,, SiO2 и др.) и добавок способствующих обра-
зованию микропористой структуры (Siмет., SiC и др.).
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2
Сраств.расч.
С
ра
ст
в.
эк
сп
.
Рис.4. Сравнение экспериментальных и рассчитанных по (3) значений раство-
римости углерода кокса в чугуне
101
Высокая степень науглероживания чугуна снижает как его химиче-
скую агрессивность по отношению к углеродистым блокам, так и его спо-
собность к инфильтрации в огнеупоры за счет увеличения краевого угла
смачивания.
1. Миттад И. Прогресс в области огнеупорной футеровки горнов доменных
печей. //Сталь. –2005. –№11. –С.20–22.
2. Растворение углеродистого кирпича под действием жидкого чугуна. / Х.В.Гу-
денау, Ж.П. Мюланца, М. Шайве и др. // Черные металлы. –1991. –№2. –С.25–
31.
3. Суровский В.И., Некрасов Н.К. Кинетика растворения углерода в чугуне.
//Известия ВУЗов. Черная металлургия. –1971. –№1. –С.164–167.
4. Суровский В.И., Некрасов Н.К. Влияние углерода на массоперенос его при
растворении в расплавах железа. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. –
1973. –№7. –С.5–7.
5. Куликов И.С. Десульфурация чугуна. –М.: ГНТИЛ по черной металлургии,
1962. –302 с.
6. Приходько Э.В. Металлохимия многокомпонентных систем. –М.: Металлур-
гия, 1995. –320 с.
7. Удлинение компании доменной печи – факторы влияющие на стойкость футе-
ровки горна. / Э. Вильямс, Й. Янт, Г.Б. Блюнтен и др. // Черные металлы. –
1993. –№11. –С.35–48.
8. Еременко В.Н. Поверхностные явления и их роль в процессах жидкофазного
спекания и пропитке пористых тел жидкими металлами. // Порошковая ме-
таллургия. –2002. –№9/10. –С.30–52.
9. Ниженко В.И., Флока Л.И. Контактное взаимодействие графита с жидким
железом и расплавами на его основе. // Порошковая металлургия. –1974. –№6.
–С.64–70.
Статья рекомендована к печати
докт.техн.наук Э.В.Приходько
|