Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь
Составлена модель эмульгирования шлака в металл при кипении стали в изложнице, которая соответствует экспериментальным данным. Складено модель емульгування шлаку в метал при кипінні сталі у виливниці, яка відповідає експериментальним даним. There is developed the model of slag emulgation into metal...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Процессы литья |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49818 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 3-8. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860237284496900096 |
|---|---|
| author | Охотский, В.Б. |
| author_facet | Охотский, В.Б. |
| citation_txt | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 3-8. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Процессы литья |
| description | Составлена модель эмульгирования шлака в металл при кипении стали в изложнице, которая соответствует экспериментальным данным.
Складено модель емульгування шлаку в метал при кипінні сталі у виливниці, яка відповідає експериментальним даним.
There is developed the model of slag emulgation into metal while steel is boiling in ingot mould that corresponds with experimental data.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:25:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82) 3
Получение и обработка расПлавов
уДк 669.18
в. б. охотский
Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск
Эмульгирование шлака в металл
в сталеПлавильных Процессах. киПящая сталь
Составлена модель эмульгирования шлака в металл при кипении стали в изложнице, которая
соответствует экспериментальным данным.
Ключевые слова: эмульгирование, шлак, кипящая сталь.
Складено модель емульгування шлаку в метал при кипінні сталі у виливниці, яка відповідає
експериментальним даним.
Ключові слова: емульгування, шлак, кипляча сталь.
There is developed the model of slag emulgation into metal while steel is boiling in ingot mould that
corresponds with experimental data.
Keywords: emulsification, slag, boiling steel.
При кипении стали в изложнице газовыделение по периметру П вызывает обра-
зование ранта кипения шириной b и высотой h, а поток металла, выходящий на по-
верхность ванны слитка со скоростью w1, разворачивается в этой зоне и со скоростью
krw1 [1] проходит через слой шлака толщиной δ
2
, что может вызвать эмульгирование
капель шлака размера d в металл (ЭШМ) по схеме [2] при достаточной удельной
интенсивности газовыделения по периметру iп,
см3/(см ⋅ с).
Интенсивность газовыделения зависит от поступления кислорода из атмосферы
в зоне барботажа при коэффициенте массообмена ρO2
= (DO2 u/D)1/2, где DO2
– ко-
эффициент молекулярной диффузии кислорода при температуре пограничного
слоя Тср = (Т1 + Та) /2; Т1, Та – температура металла и атмосферы; Dк, u
– диаметр
и скорость пузырей, что создает удельную интенсивность поступления кислорода
iO2
= βO2
PO2
/RTср , где РО2 – парциальное давление кислорода атмосферы; R – уни-
версальная газовая постоянная [3]. Отсюда при нормальных условиях
iпн = iO2
υгb , (1)
где υГ – объем моля газов, а при температуре металла Т1 iп = iпн (Т1/273).
Анализ экспериментальных данных об интенсивности газовыделения при кипении
стали в изложнице [4-9] показал, что она обратно пропорциональна произведению
содержания в стали Р = С · Мn вследствие влияния на [О]
iпн = 0,056/Р. (2)
В ходе кипения τ
r
величина iпн проходит через максимум, который достигается
тем раньше, чем больше Р (рис. 1).
4 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
При Р < 0,03
× t tr ri -5 7,0
пн = 6,1 10 exp (-0,46 ) (линия 1); (3)
при Р = 0,03-0,05
t tr ri 0,92
пн ;=1,1 exp (-0,095 ) (линия 2); (4)
при Р > 0,05
t× tr ri -4 5,31
пн = 7,4 10 exp (-0,40 ) (линия 3), (5)
если τr выражено в минутах и меньше 36 мин.
Приняв величину b в (1) по [10], получим
рассчитанные величины iпн (пунктирные
линии 1-3) на уровне максимумов соответ-
ствующих фактических величин (сплошные
линии 1-3).
Кислород, поступающий из атмосферы,
растворяется в металле, а усредненная по работам [11-16] линия 1 его содер-
жания (рис. 2, а) практически совпадает с равновесной І для реакции С + О → СО.
Фактические величины соотношения (СО2 / СО)ф в выделяющемся газе [17] близки
к рассчитанным (СО2 / СО)
р
для реакции СО + О → СО2 (рис. 2, б) и, следовательно,
фактическое газовыделение может быть рассчитано по выражению (1). Оно создает
барботаж из линейного источника и согласно [3], принимая во внимание, что бар-
ботажная зона полуограничена стенкой изложницы,
W i gT 1/3
1 пн= (10 / 273) , (6)
где g – гравитационное ускорение.
На рис. 3 данные холодного моделирования кипения стали в изложнице [10]
(область А) близки к рассчитанной по (6) линии І.
Условия ЭШМ зависят от соотношения высоты буруна hs, расчитываемой по W1
[1-2], и толщины слоя шлака δ2 = M2 / F, где М2 – масса шлака, F – площадь зеркала
незатвердевшего металла. Обобщение данных [19-22] показывает (рис. 4), что со-
держание в нем SiO2 экв = SiO2 + 0,59 Al2O3 (линии 3, а-г) мало изменяется в ходе ки-
пения τ, содержание FeO (линии 1, а-г), как правило, уменьшается, а MnO (линии 2,
а-г) – растет. При разливке сифоном (в-г) величина SiO2 экв больше, чем сверху из-за
i
ПН
, см2/с
4
2
0
16 32
τr
, мин
1
2
3
Рис. 1. Удельная интенсивность газовы-
деления при кипении стали
12
3
10-1
5
10-2
[O], %
1
I
5 10-1
0,20
0,1
0
0 0,10 0,20
(CO2 / CO)р
I
a б
Рис. 2. Равновесие при кипении стали
(CO2/CO)ф
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82) 5
Получение и обработка расплава
износа огнеупора проводки. Для стали 08кп (а, в) FeO больше, а MnO – меньше,
чем для 3 кп (б, г).
Для температуры кипящей стали в изложнице 1520-1540 0С и шлака системы
FeO-MnO-SiO2 с использованием данных работы [18] найдено, что в равновесии
при SiO2 экв > 30 %
2эквFeO = 75- 3,19 S iO ,
(7)
а при 2эквSiO > 30 %
2эквFeO = 50 -1,66 SiO , (8)
FeO = 2-3 % и кипение при сифонной разливке менее активно, чем сверху.
Образование шлака идет в результате окисления марганца из стали при дви-
жении потока металла вдоль границы со шлаком. Если масообмен определяется
переносом FeO, то βFeO = (DFeO / τ*)1/2 [3], где DFeO – коэффициент молекулярной
диффузии FeO; τ* = d / krW1, d = d0 – 2kδτ1/2, d0 – приведенный диаметр попереч-
ного сечения слитка d0 = (4F/π)1/2, F – площадь его сечения); kδ – коэффициент
затвердевания [3]. Удельная интенсивность переноса iFeO = βFeO (FeO) ρ2 /100, где
ρ2 – плотность шлака, и за время dτ будет перенесена масса dmFeO = iFeOF dτ, где
F = πd2/4, а масса шлака изменится на dm2 = dmFeO (MMnO / MFeO)100 /MnO, где
MMnO – мольные массы MnO, FeO; MnO – фактическое содержание MnO в шлаке.
Произведя подстановки и интегрируя полученное выражение в пределах m2 = 0 при
t = 0 и m2 = m2 при t = t, получим
d= p r ´
´ - dt - - dt +
rm M M D k W k
d k d d k d
1/2 1/2 1/2 3/2 2
2 MnO FeO 2 FeO
1/2 7/2 1/2 5/2 7/2
0 0 0 0
[ ( / )(FeO / MnO) / 2 ]
[( 2 ) / 7 ( 2 ) / 5 2 / 35]. (9)
При величине Р = 10-2 -10-1, используя выражения (2) и (6) для определения W1 и
принимая во внимание, что отношение b/hs при изменении интенсивности кипения
остается более или менее постоянным и равным около 1,5 [10], что отвечает k r= 0,33 [1],
можно по выражению (9) и рис. 4 рассчитать изменение во времени m2 и δ2.
На рис. 5 представлены рассчитанные по iпн (см. рис. 1) величины hs по [1] (линии
1а-3а), фактические δ2 для сталей 08кп и 3кп [21] и рассчитанные при Р =10-1 и 10-2
величины δ2 (линии І и ІІ), которые удовлетворительно соответствуют друг другу. В
первой половине кипения hs
> δ2, а во второй, вероятно, δ2 > hs.
I
A
Рис. 3. Скорость металла на выходе из
зоны барботажа
W1, см/с
102
5
101
5 100 5
iПН, см2 / c
Рис. 4. Изменение состава шлака в ходе
кипения
FeO, MnO,
SiO2, %
40
20
0 8 16 24
2г 2б
2а
2в
1а
1б
1г
1в
3в
3г
3б
3а
τ, мин
6 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
При hs > δ2 ЭШМ возможно, если капиллярная волна минимальной длины λ1, ам-
плитуда которой способна расти во времени λ1 < δ
2
, а волна длиной λ2, продолжитель-
ность роста амплитуды которой α2 до α2 ≈ λ2 минимальна, успеют вырасти раньше,
чем со скоростью капиллярной волны пройдут по δ
2
. Используя теорию капиллярных
волн [23], определим, что первое и второе условия выполняются при
17 9 6 3 4 6 3 6 4 4 12 9 1/4
ПН 2 12 2 1 1 22 5 ( / 273)[ / ] ;ri T g ksh b³ p s r r d (10)
14 3 4 6 6 4 3 4 6 6 16 6 1/4
ПН 2 1 12 1 2 1 2[2 (273 / ) / 3 5 ( + ) ] .ri T g ks³ r s r r b r d (11)
где ρ1 – плотность металла; η2 – динамическая вязкость шлака; σ12 – межфазное
натяжение металл-шлак; g – гравитационное ускорение; βσ = 0,3 [23].
Если δ
2
> hs, то те же условия ЭШМ определяются величиной hs и описываются
следующими выражениями:
2 18 6 6 18 10 9 18 6 3 6 6 10 1/10
ПН 2 12 D 2 1 r 1[2 / 5 cos ( / 273) ] ;i n c k T gs³ p h s ab r r (12)
4 6 6 6 3 6 6 8 6 12 6 3 6 6 8 2 1/4
ПН 2 12 2 1 2 1 1[2 / 3 5 cos ( + ) ( / 273) ] ,D ri n c k T gs³ p h s r ab r r r (13)
где из теории волн ускорения [24] cD ≈1; n ≈ 1,38.
Существует некоторая волна длиной λ3, амплитуда которой α3
успеет вырасти
до величины α3≈ λ3 за время ее движения по δ2 при hs > δ2 или по hs при δ2
≥ hs, что
произойдет, если
2 3 6 4 6 12 3 6 4 4 6 1/4
ПН 2 12 1 2 1 1 22 5 / 273) ][ / ( ) (ri k g Ts³ r s b r +r r d (14)
6 6 3 6 8 8 6 12 6 6 2 3 1/8
ПН 2 12 1 1 1 22 5 / 273)([ / cos ( ) ]Di n c g Ts³ p r s ab r r +r (15)
Сопоставление данных [25-26] позво-
ляет ориентировочно оценить вязкость
шлаков КП в 10-2 при разливке сифоном и
10-1 Па ∙ с – сверху, а σ
12
– 0,5 Н/м. С уве-
личением концентрации MnO вязкость
увеличивается, а FeO – уменьшается так
же, как и σ
12
.
Сравнение необходимых для ЭШМ ве-
личин iпн с фактическими (рис. 1) показы-
вает, что для λ1 и λ3 условия (10), (12), (14)
и (15) практически всегда выполняются, а
(11) и (13) для λ2 - нет. Волна λ1 вытекает
из барботажной зоны в виде ленты, а λ3 -
тороида, которые в металле под действием
потока, движущегося со скоростью Wr = krW1,
могут распадаться на капли в режиме капиллярных или волн ускорения, а максимально
возможный размер образующихся капель равен в первом случае
6 3 26 4 6 12 4 3 6 4 6 1/9
2 12 1 2 1 ПН1
[ / 2 5 ( / 273) ] ;rd k T g i£ h s b r rs s (16)
20 3 6 6 4 6 6 12 4 3 6 4 4 1/6
2 12 1 1 2 1 ПН2
[2 / 3 5 (T / 273) ( + ) ] ,rd k g i£ r s p b r r rs s (17)
а во втором –
Рис. 5. Соотношение hs
и δ2 при кипении стали
hs,δ2, см 1а
2а
1б
3а
2б
ΙΙ
Ι
2
1
0
0 16 32
τr, мин
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82) 7
Получение и обработка расплава
18 3 6 6 2 2 6 3 6 3 3 2 2 2 1/6
2 r 1 2 1 пн1
[2 cos / 2 5 ( / 273) ]a D ad c n k T g i ,£ ah b r r (18)
70 9 18 12 12 4 9 3 15 12 6 6 4 4 4 1/12
2 1 2 1 пн2
[2 cos / 3 5 ( / 273) ] ,a D a rd c n k T g ia h p b r r£
(19)
где βa ≈1 [24] , что дает капли меньшего раз-
мера, чем в первом, продолжительность об-
разования которых меньше.
На рис. 6 фактический диапазон размера
шлаковых включений (ШВ) [27-30] (вертикаль-
ные линии) сопоставлен с размерами d, рас-
считанными по (16) (линия 1а); (17) (1б);(18)
(2а); (19) (2б) и, судя по всему, дробление пер-
вичных образований ШВ происходит в режиме
волн ускорения.
Скорость всплывания ШВ u по Стоксу имеет
место при d < 0,165 мм, по Шлихтингу – 0,165-
2,60 мм, а при d > 2,60 мм всплывание идет в
капиллярно-гравитационном режиме [3]. Так
как u < Wr, ШВ уносятся потоком металла в
слиток. По окончании кипения ШВ всплывают
из слитка в течение порядка 101 с, если не за-
держались в зоне растущих дендритов.
Металл выходит из зоны барботажа с рас-
ходом I1 = ПbW1, что вызывает продолжительность цикла его циркуляции в слитке
массы М tc = M ⁄ ρ1I1 . Капли шлака первоначально содержат (FeO)
н
, расходуемых на
реакцию FeO → Fe + O в результате внутреннего масcообмена по модели Хигби [3],
вследствие чего к концу цикла
1/2 1/2 1/2
к н FeO c(FeO) = FeO exp (-24 / )aD t dp . Расчеты пока-
зывают, что для листовых слитков массой 15-20 т в широком диапазоне Р = 10-2-10-1
за один цикл из капель восстанавливается около 70 % оксидов железа, что вместе
с кислородом, поступающим из атмосферы, определяет интенсивность кипения.
1. Охотский В. Б. //Процессы литья. − 2009. − № 6. − С. 10-16.
2. Охотский В. Б. //Там же. − 2010. − № 2. − С. 3-8.
3. Охотский В. Б. Модели металлургических систем. – Днепропетровск: Системные техно-
логии, 2006. − 87 с.
4. Hayes A. Chipman J. // Met. Techn. − 1938. − № 12. − Р. 1-41.
5. Безденежных А. А. // Сталь. − 1948. − № 10. − С. 881-887.
6. Кравченко В. Ф., Энекеш Ш., Трубин К. Г. // Изв. вузов. Чер. металлургия. − 1959. − № 7.
− C. 23-34.
7. Шюрман Э., Хадьисоросо П., Петер О. // Чер. металлы. − 1965. − № 2. − C. 3-15.
8. Parma V., Wildman S. // Hutnik (C
). − 1967. − № 9. − S. 432-435.
9. Райндерс Ф., Хаммершмидт П., Данкер Ф. // Чер. металлы. − 1970. − № 15. − С. 3-13.
10. Ланевский Э. Б., Коновалов Р. П., Азимов Ж. М. // Разливка стали в слитки и их качество.
– М.: Металлургия, 1978. − № 7. − С. 55-59.
11. Cutchleon M.C., Chipman J. // Met. Techn. − 1938. − № 8. − Р. 1-24.
12. Matsuno I., Okano S. // Jisi Jap. − 1966. − № 9. − Р. 1522-1555.
13. Костерев Л. В., Ойкс Г. Н. // Изв. вузов. Чер. металлы. − 1960. − № 11. − C. 50-60.
14. Нильс П., Беккер Ф., Тиль А. // Чер. металлы. − 1965. − № 17. − C. 8-12.
Рис. 6. Фактический и рассчитанный
размеры шлаковых включений
d, мм
;
8 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2010. № 4 (82)
Получение и обработка расплава
15. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Сталь. − 1974. − № 8. − С. 695-699.
16. Уразгильдеев А. Х., Пронских С. Н., Алымов А. А. и др. // Сталь. − 1977. − № 9. − С. 796-799.
17. Ebnett W. A., Ruttiger K., // Arch. Eisenh u tt. −1972. − № 12. − S. 879-886.
18. Fischer W. A., Bardenheuer P. W. // Arch. Eisenh u tt. − 1968. − № 8. − S. 559-570.
19. Бааре Р. –Д., Бекерс Э., Пелике В. Г. // Чер. металлы. − 1962. − № 22. − C. 39-49.
20. Русов Р., Батев М., Петров П. // Рудодобив и металургия. − 1970. − № 8-9. − С. 36-40.
21. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Металлургия черных металлов. – Алма-Ата: Казах.
политехн. ин-т, 1973. − Вып. 1. − С.87-92.
22. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б. // Изв. вузов. Чер. металлургия. − 1974. − № 9. − С. 67-72.
23. Mayer E. // ARS J. − 1961. − V. 31, № 12. − Р. 1783-1785.
24. Adelberg M. // AIAA J. − 1976. − V. 5, № 3. − Р. 1408-1415.
25. Корпачев В. Г., Попель С. М. // Физическая химия металлургических процессов.
– Свердловск: Металлургиздат, 1959. – № 93. – С. 64-92.
26. Коновалов Р. П., Ланевский Э. Б., Просвиров С. Н. // Изв. вузов. Чер. металлургия.
− 1978. − № 6. − С. 40-44.
27. Дубров Н. Ф. // Сталь. −1943. − № 3-4. − С. 13-20.
28. Мылко С. Н. // Черная металлургия. − М.: Металлургиздат, 1955. − № 5. − С. 101-109.
29. Hoff H., Lessing H., Massing С. // St. Eis. − 1956. − № 22. − S. 1422-1452.
30. Колганов Г. С., Тарапуров Н. В. // Проблемы стального слитка. – М.: Металлургия,
1969. – С. 138-141.
Поступила 27.10.2009
уДк 669:532.516.13
н. и. Захаров
Национальный технический университет, Донецк
интенсиФикация массообменных Процессов
внеПечноЙ ДегаЗации стали
Рассмотрены различные способы интенсификации массообменных процессов дегазации
стали. Установлено, что при выборе способа интенсификации массообменных процес сов
необходим индивидуальный подход, учитывающий материальные и энергозатраты.
Ключевые слова: массообмен, интенсификация, дегазация, азот, вакуумирование, аргон,
электростатическое поле, диффузия, кинетическое звено.
Розглянуто різні способи інтенсифікації масообмінних процесів дегазації сталі. Встановлено,
що при виборі способу інтенсифікації масообмінних процесів необхідний індивідуальний підхід,
що враховує матеріальні та енерговитрати.
Ключові слова: масообмін, інтенсифікація, дегазація, азот, вакуумування, аргон, електро-
статичне поле, дифузія, кінетична ланка.
Different kinds of intensification mass-transfer processes for degasing of steel are discussed. Using
the concrete kind, we must calculated material and energetical expenses.
Keywods: mass transfer, intensification, degassing, nitrogen, vacuum processing, argon,
electrostatic field, diffusion, kinetics link.
Проблема дегазации стали остается одной из актуальных, так как газы, имеющиеся
в металле, ухудшают его эксплуатационные свойства.
Наиболее перспективные способы рафинирования расплавов от рас творенных
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49818 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-5884 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:25:15Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Охотский, В.Б. 2013-09-28T14:19:40Z 2013-09-28T14:19:40Z 2010 Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь / В.Б. Охотский // Процессы литья. — 2010. — № 4. — С. 3-8. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49818 669.18 Составлена модель эмульгирования шлака в металл при кипении стали в изложнице, которая соответствует экспериментальным данным. Складено модель емульгування шлаку в метал при кипінні сталі у виливниці, яка відповідає експериментальним даним. There is developed the model of slag emulgation into metal while steel is boiling in ingot mould that corresponds with experimental data. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Получение и обработка расплавов Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь Article published earlier |
| spellingShingle | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь Охотский, В.Б. Получение и обработка расплавов |
| title | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь |
| title_full | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь |
| title_fullStr | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь |
| title_full_unstemmed | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь |
| title_short | Эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. Кипящая сталь |
| title_sort | эмульгирование шлака в металл в сталеплавильных процессах. кипящая сталь |
| topic | Получение и обработка расплавов |
| topic_facet | Получение и обработка расплавов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49818 |
| work_keys_str_mv | AT ohotskiivb émulʹgirovaniešlakavmetallvstaleplavilʹnyhprocessahkipâŝaâstalʹ |