МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ В ЖИДКОЙ СТАЛИ ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ В КОВШЕ

В течение последнего десятилетия в мире получила широкое развитие технология внепеч ной обработки металла в ковше порошковой проволокой. В настоящее время на металлургических заводах мира используется более 500 установок по вводу порошковой проволоки, при помощи которых металл модифицируется, легируется, раскисляется и инокулирует ся реагентами около 50 наименований, среди которых практически все ферросплавы, а также чистые компоненты: кальций, магний, уг , лерод, сера и др. и их смеси [1].

Проблемы низкого и непостоянного усвоения элементов при обработке металла, а также экологические проблемы могут быть вызваны следующими причинами: низкой температурой плавления или кипения реагента; большой разностью плотностей реагента и обрабатываемого металла; низкой растворимостью; высоким сродством к кислороду; высоким давлением насыщенного пара; формированием токсичных паров или активной пыли; значительным пироэффектом и др.

Использование порошковой проволоки позволяет устранить многие проблемы, либо свести их к минимуму и контролировать по ходу процесса.

Для разработки экологически чистых и эффективных технологий использования порошковой проволоки, компьютерного оснащения процесса необходимы разработки математических моделей кинетики растворения проволоки в металле с учетом параметров конструкции проволоки, а также физикохимических и теплофизических факторов наполнителей проволоки и обрабатываемого металла. Одному из подходов в изучении этих проблем посвящена настоящая работа.

Технологические аспекты

Широкое применение указанной технологии для обработки стали обусловливается следующими преимуществами: точностью дозировки реагента; воспроизводимостью результатов; высоким усвоением элементов; минимальным экологическим воздействием; низкими температурными вотерями; низким азотированием и наводоро живанием стали; удобностью автоматизации процесса; небольшими капитальными затратами.

Разработаны и применяются два способа ввода порошковой проволоки в металл: инерционный метод подачи — порошковая проволока подается в ковш с вращающейся шпули и безынерционная подача с неподвижного бунта. Второй метод получил более широкое распространение, так как исчезает необходимость применения тормозящего устройства при размотке шпули и не тратится время на замену пустой шпули в разматывающем устройстве. Фирмыпроизводители поставляют порошковую проволоку различных конструкций [2, 3]: прямоугольного, квадратного и круглого сечений с одним или двумя замками, диаметром 9— 18 мм и толщиной стальной оболочки ^ 0,3—0,5 мм.

Наиболее важным параметром при подаче порошковой проволоки в металл является скорость ее ввода. Низкая скорость обусловливает ее растворение в верхних слоях металла, что способствует повышенному угару активных элементов, ухудшается рафинирование и модифицирование металла и распределение реагента по объему ковша. Многие из перечисленных выше преимуществ не получают развития. Высокая скорость ввода проволоки приводит к аналогичным результатам. Проволока, не успевшая раствориться при погружении, ударяется о дно ковша и, отражаясь от днища и стенок, выходит в верхние слои металла или наружу.

Необходима оптимальная скорость Еюода, позволяющая проволоке растворяться в нижних объемах металла, что позволит легкому реагенту, всплывая, произвести максимальное рафинирующее или модифицирующее воздействие, а тяжелые реагенты предохранит от уга i ра в кислороде атмосферы.

Непосредственный контакт реагента после растворения стальной оболочки с жидким металлом определяет начало технологического воздействия на сталь. В зависимости от наполнителя проволоки реагент к моменту растворения оболочки может быть либо в жидком, либо в газообразном, либо в твердофазном порошковом состоянии. Конвективные патоки, существующие в ковше и возникающие при взаимодействии реагента с металлом, способствуют быстрому распределению компонента по объему металла и, повидимому, не являются лимитирующей стадией процесса. Поэтому временем растворения проволоки в жидкой стали можно считать время растворения стальной оболочки.

Физикохимические аспекты

Некоторыми авторами [4—6] отмечалось, что при введении ферросплавов в жидкую сталь наблюдалось более быстрое растворение реагента, чем прогнозируемое математической моделью, учитывающей только теплофизические и гидродинамические моменты. Так, при изучении растворения в жидкой стали 50 %ного ферросилиция [4] установлено, что кремний диффундирует изнутри в твердую, намерзшую на куске ферросплава стальную корочку, понижая ее температуру плавления. Этот процесс сопровождается экзотермическим тепловым эффектом образования эвтектики на границе раздела фаз: жидкий ферросплав — твердая стальная корова. Таким образом, стальная корочка растворяется сразу с двух сторон: кинетическим способом со стороны жидкой стали и диффузионнокинетическим — изнутри, за счет внутреннего источника тепла. Рядом авторов [6, 7] при разработке математических моделей процесса растворения кусковых ферросплавов в жидкой ванне эти моменты не учитываются.

Порошковая проволока представляет собой сложный многофазный объект, содержимое которого состоит из одной или более твердых фаз, а также газообразной фазы — воздуха. В процессе нагрева проволоки могут иметь место следующие процессы: плавление реагентов внутри стальной оболочки, сопровождающееся эндотермическим тепловым эффектом (Affj); образование растворов или химических соединений между компонентами проволоки, сопровождающееся либо экзотермическим, либо эндотермическим тепловым эффектом (ДЯ2); взаимодействие расплавленного реагента с материалом оболочки (А#з); окисление реагентов кислородом воздуха, находящегося внутри проволоки и образование нитридов — экзотермические реакции (АЯд); испарение реагентов в случае использования наполнителя на базе кальция, магния и др. — эндотермический процесс (АЯ5).

Следует отметить, что высокая теплопроводность фазы I сдвигает точку а вправо, а точку Ъ — влево, что в итоге замедляет скорость растворения проволоки. Напротив, низкая теплопроводность фазы I способствует более раннему возникновению жидкой фазы внутри проволоки, а, следовательно, более раннему началу взаимодействия фаз П и Ш, что сдвигает точку / влево, уменьшая тем самым тэ.

В момент времени т2 полностью йсчезает фаза I, теплоотвод во внутренние области замедляется, температура на границе раздела фаз В> за счет появления дополнительной степени свободы, получает возможность увеличиваться выше температуры ликвидус. Все это увеличивает скорость растворения фаз Ш и IV, как изнутри, так и снаружи (в точках е и d на кривых R4 и R3, соответственно, наблюдается перелом).

Экспериментальные исследования по кинетике растворения порошковой проволоки в жидкой стали [8] подтверждают вышеприведенные соображения.

Составлена математическая модель растворения проволоки из порошкового материала, имеющей стальную оболочку, в жидкой стали. Модель базируется на системе нелинейных дифференциальных уравнений теплопроводности, описывающих процессы передачи тепла в проволоке, представленной в виде системы бесконечных цилиндров. Тепловые эффекты плавления, кристаллизации и химических взаимодействий внутри проволоки учитываются с помощью квазиравновесной теории двухфазной зоны для бинарных сплавов.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 3, Москва 1994