Особенности взаимодействия экзотермических магнийсодержащих брикетов с металлической фазой
Низяев Константин Георгиевич
доктор технических наук, профессор,
Бойченко Борис Михайлович
доктор технических наук, профессор,
Стоянов Александр Николаевич
кандидат технических наук, доцент,
Молчанов Лавр Сергеевич,
ассистент кафедры металлургии стали,
Синегин Евгений Владимирович.
Национальная металлургическая академия Украины.
Постановка задач исследования
На предыдущих этапах исследований была разработана низкозатратная и энергоэфективная технология десульфурации чугуна экзотермическими брикетами, содержащими оксид магния [Молчанов Л.С.]. Учитывая, что эффективность процессов рафинирования расплавов активными реагентами (материалами, содержащими металлический магний и кальций), в значительной мере зависит от скорости поступления последнего в расплав [Гловацкий А.Б.; Дюдкин Д.А.; Бойченко Б.М.], то целью данного исследования является изучения скорости разрушения тела экзотермического брикета, погруженного в объём расплава.
Методика проведения исследований
Для проведения исследований применяли экзотермическую смесь, содержащую оксиды магния, кальция, железа и металлический алюминий, которая формовалась в цилиндрические брикеты (с диаметром 35 мм и высотой 50 мм) на жидкостекольной связке. Для ввода брикетов под уровень металлического расплава применяли экспериментальную установку (рис. 1), которая состояла из следующих конструктивных элементов, находящихся во взаимосвязи: печь Таммана; огнеупорная подставка; графитовый тигель с жидким чугуном; брикет из экзотермической смеси, содержащей оксид магния; механический захват; кронштейн и термопара.
Для экспериментальных исследований использовали чугун, химический состав которого приведен в таблице 1, в количестве 1600 г. Его предварительно дробили до фракции 15 – 20 мм, загружали в графитовый тигель, установленный в печи Таммана, и нагревали до температуры 1350оС. Контроль температуры расплава осуществлялся термопарой ВАР-5/ВАР-20 подведённой ко дну тигля.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 – печь Таммана; 2 – огнеупорная подставка; 3 – графитовый тигель с жидким чугуном; 4 – брикет из экзотермической смеси, содержащей оксид магния; 5 – механический захват; 6 – кронштейн; 7 – термопара ВАР-5/ВАР-20
Таблица 1.
Химический состав чугуна.
|
Содержание, % |
||||
|
С |
Mn |
Si |
S |
P |
|
4,38 |
0,55 |
0,87 |
0,032 |
0,148 |
Режим нагрева печи Таммана был следующим: нагрев рабочего пространства осуществляли со скоростью 10 оС/ мин. до температуры 1350оС, после чего устанавливался стационарный режим, при котором за счёт подвода электроэнергии компенсировались только тепловые потери нагревательного агрегата, а дальнейший нагрев расплава практически прекращался.
В процессе проведения исследований были изготовлены пять одинаковых экзотермических брикетов, которые последовательно загружали в расплавленный чугун и выдерживали на протяжении 5, 10, 20, 30 и 50 с, извлекали и фотографировали. Для определения топографии разрушения тело брикета распиливали вдоль продольной оси и методом планиметрии определяли изменение площади поперечного сечения образцов.
Результаты проведения исследований
На рис. 2 представлены фотографии брикетов, извлечённых из жидкого чугуна после выдержки в течении 5, 10, 20, 30 и 47 с соответственно. Приведенные на рис. 2 результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность выбранной физико-химической схемы.
В течение 10 с выдержки протекает первая стадия, сопровождающаяся последовательным намораживанием металлического расплава на поверхности брикета толщиной 0,8 – 0,2 мм по истечению 5 с и 0,5 – 1,5 по истечению 10 с.
При выдержке брикета под уровнем расплава на протяжении 20 с протекает совместно первая и вторая стадия. Таким образом в зоне брикета, находящейся вблизи газовой фазы продолжают протекать процессы намораживания расплава, а во всех остальных участках протекают процессы плавления намороженной корки расплава с последующим локальным разрушением поверхности. Прирост корки металлического расплава в зоне контакта брикета с газовой фазой составил 1,5 – 2 мм, а глубина поверхностного разрушения остальной поверхности брикета составляет 0,5 – 0 мм.
На протяжении 30 с выдержки брикета под уровнем расплава протекает третья стадия, сопровождающаяся процессом разрушения материала брикета. Таким образом, всея поверхность брикета подвержена разрушению, глубина которого находится в пределах 5 – 7 мм.
Рис. 2. Фотографии экспериментальных образцов при различном времени контакта с жидким чугуном: 1 – τ = 5 с; 2 - τ = 10 с; 3 - τ = 20 с; 4 - τ = 30 с; 5 - τ = 47 с.
I – тонкая плёнка намороженного расплава; II – утолщение плёнки намороженного расплава в зоне контакта расплава с брикетом и газовой фазой; III – зона локального разрушения брикета; IV – зона поверхностного разрушения брикета; V – область брикета непосредственно контактировавшая с расплавом после объёмного разрушения.
При выдержке брикета под уровнем расплава в течение 47 с. протекает третья стадия, при которой имеет место объёмное разрушение брикета.
Процесс взаимодействия экзотермического брикета с металлическим расплавом, в целом, согласуется с существующими положениями теплофизической теории взаимодействия твёрдых тел с расплавами. Таким образом при вводе брикета из экзотермической магнийсодержащей смеси в объём жидкого чугуна протекают следующие процессы: 1) намораживание расплава; 2) плавление намороженной корки и 3) протекание фазовых и химических превращений в вводимом материале при контакте с расплавом, приводящий к разрушению материала [Охотський В.Б.].
Наиболее значимым параметром взаимодействия брикета из экзотермической смеси, содержащей оксид магния с металлическим расплавом, является скорость его разрушения, которая в наибольшей степени зависит от скорости протекания химических и фазовых превращений. Для её определения была составлена топография взаимодействия экзотермического брикета с жидким чугуном (рис. 3).
На каждом из промежуточных участков времени определена средняя глубина разрушения поверхности брикета и рассчитана его средняя скорость (таблица 2). Учитывая, что процесс взаимодействия подразделяется на этапы намораживания, плавления расплава и непосредственного взаимодействия экзотермической смеси с расплавом, то целесообразно определение скорости изменения геометрических параметров брикета подразделить на 2 этапа.
Рис. 3. Топография разрушения экзотермического брикета в процессе взаимодействия с железоуглеродистым расплавом.
На первом этапе была определена скорость намораживания расплава на поверхность брикета. Максимального значения она достигает в диапазоне выдержки 5 – 10 с, что связанно с интенсивными процессами теплоотвода к материалу брикета.
На втором этапе была оценена скорость разрушения материала экзотермического брикета при контакте с металлическим расплавом. Наибольшая её значение наблюдается по достижению времени 47 с, что связанно с интенсивным протеканием реакций термитного восстановления оксидов железа и восстановления оксидов магния.
Средняя скорость процесса намораживания расплава и разрушения экзотермического брикета составляют 0,083 мм/с и 0,215 мм/с соответственно.
Таблица 2.
Средняя скорость и глубина разрушения брикета.
|
Продолжительность, с |
Средние параметры разрушения |
||
|
глубина, мм |
скорость намораживания, мм/с |
скорость разрушения, мм/с |
|
|
0 |
0 |
0 |
— |
|
5 |
+0,5 |
+0,1 |
— |
|
10 |
+1 |
+0,1 |
— |
|
20 |
+1 |
+0,05 |
— |
|
30 |
-6 |
— |
-0,2 |
|
47* |
-11 |
— |
-0,23 |
|
Среднее значение |
— |
0,083 |
0,215 |
* - объёмное разрушение брикета
Выводы
1) Разработана схема топографии разрушения экзотермического брикета при контакте с жидким чугуном.
2) Определены средняя скорость намораживания расплава (0,083 мм/с) и разрушения экзотермического брикета (0,215 мм/с) при контакте с жидким чугуном.
Литература
1. Гловацкий А.Б. Внедоменная десульфурация чугуна [Текст]: монография / А.Б. Гловацкий. - М.: Металлургия, 1986. - 196с.
2. Дюдкин Д.А. Современные процессы внепечной металлургии чугуна [Текст]: учеб. для вузов / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисленко, С.Ю. Бать. – Донецк: «Вебер» (Донецкое отделение), 2007. – 324с.
3. Молчанов Л.С. К вопросу о десульфурации чугуна магнезитосодержащими брикетами [Текст] / Л.С. Молчанов, К.Г. Низяев, Б.М. Бойченко, А.Н. Стоянов, Е.В. Синегин // Бюллетень НТИЭИ «Чёрная металлургия». - 2012. - №12. - С. 47–49.
4. Молчанов Л.С. Термодинамический анализ процессов восстановления оксидов магния для десульфурации железоуглеродистых расплавов [Текст] / Л.С. Молчанов, К.Г. Низяев, Б.М. Бойченко, А.Н. Стоянов, Е.В. Синегин // Металл и лите Украины. 2013. - №7. - С. 25–29.
5. Бойченко Б.М. Конвертерне виробництво сталі: теорія, технологія, якість сталі, конструкції агрегатів, рециркуляція матеріалів і екологія [Текст]: підручник для вузів / Б.М Бойченко ., В.Б. Охотський, П.С. Харлашин. - Дніпропетровськ: РВА»Дніпро-ВАЛ», 2006. - 456с.
6. Охотський В.Б. Теорія металургійних процесів [Текст]: Підручник для вузів / В.Б. Охотський, О.Л. Костьолов, В.К. Сімонов та ін. - К.: ІЗМН, 1997. – 512с.
Поступила в редакцию 18.03.2014 г.