Во время кипения сталеплавильной ванны наблюдается двухфазная область [1], состоящая из взвеси капелек металла различной величины в шлаке и капелек шлака в металле [2]. Эта переходная зона фаз шлак-металл определяет [3] не только эффект обезуглероживания ванны, её нагрев, но и влияет на производительность печи, так как уменьшение размера переходной зоны снижает потери металла со спускаемым шлаком и ведёт к снижению загрязнения металла капельками шлака [3, 4].
В связи с этим на 150-тонной дуговой печи в условиях ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» были проведены исследования с целью определения величины этой двухфазной области на границе шлака и металла в течение окислительно-восстановительного периода электроплавки железорудных металлизованных окатышей (ЖМО).
Общую толщину шлакового покрова в ванне 150-т. ДСП определяли с помощью стальной штанги, загнутой на конце под углом 90º в десяти опытных плавках. Для определения состояния переходной зоны этим устройством отбирали одновременно три пробы шлака по его толщине. Затем на лабораторных весах взвешивали полученные пробы и определяли массу чистого металла («корольков») в навеске шлака. При этом достаточно чётко можно было выделить три зоны: в верхнем слое процент металла в навеске составлял до 3,3%; в среднем слое от 3,3% до 4,6%; в нижнем слое до 7% при толщине шлака 480-550 мм, что соответствует массе металла в ванне 90-100 т. При массе металла 120-130 т толщина шлака менялась в пределах 300-350 мм. Масса металла в навеске составляла 1,3-3% для верхнего слоя; 3,3-4% для среднего; 4,6-6% для нижнего.
Аналогичная картина наблюдается и для относительного количества корольков в пробах шлака весом 150г, отобранных по ходу процесса на трех опытных плавках. Сравнительный анализ данных показывает, что в случае применения ТКГ в верхних слоях шлака содержание корольков несколько ниже и очевидно этот факт вызван более интенсивным перемешиванием шлака газовыми струями ТКГ в ванне.
Анализ структуры проб шлака, отобранных по толщине шлакового покрова ванны с помощью специального устройства, показал наличие трех зон: относительно чистый шлак с небольшим содержанием корольков металла диаметром 0.3-0.5 мм и этот слой размером 100-150 мм можно считать «псевдоспокойным»; переходный слой размером более 200 мм начинающийся с небольших частиц металла в шлаке диаметром около 0.6-0.8 мм и заканчивающийся конгломератами, состоящими из нескольких частиц, т.е. слипшимися корольками металла и крупными ошлакованными включениями металла до 3-5 мм; наконец, чистый металл с небольшим количеством мелких вкраплений шлака диаметром 0.1-0.5 мм.
Таким образом, двухфазная переходная зона шлак-металл представляет собой систему, состоящую из взвеси капелек (корольков) метала различной величины в шлаке и капелек шлака в жидком металле. Из полученных данных также следует, что величина переходного слоя шлак-металл и уровень насыщения шлака корольками определяется скоростью обезуглероживания ванны (VC, %[C]/мин). Причем при малых значениях толщины шлака относительная масса корольков в нем существенно возрастает с увеличением VC, т.е. при более высоких значениях кипения ванны в конце электроплавки ЖМО.
Анализируя приведенные опытные данные можно сделать вывод о том, что величина переходной зоны шлак-металл тем больше, чем больше мощность перемешивания ванны, т.к. последняя в значительной степени определяется [4] скоростью процесса окисления углерода в ванне ДСП. При расположении фронта обезуглероживания вблизи границы шлак-металл наблюдалось более интенсивное вспенивание шлака [5], за счёт образования большого количества мелких газовых пузырей СО вблизи границы раздела шлак-металл. Следовательно, наблюдаемое интенсивное вспенивание шлака в первые периоды электроплавки ЖМО в 150-т ДСП при температуре металла менее 1550 ºС, а шлака около 1650°С объясняется тем обстоятельством, что окатыши плавятся преимущественно в объеме переходной зоны шлака и металла при малых значениях VC с образованием [5, 6] пены (скопление мелких пузырей СО и СО2) вблизи поверхности раздела фаз шлак-металл, т.е. полагаем, что пена является следствием протекания реакции окисления углерода за счет кислорода в шлаке, а образующиеся пузырьки газа очень малы, обладают малой кинетической энергией и «застревают» в шлаке.
Установлено, что объём переходной зоны является функцией критерия перемешивания (обезуглероживания) ванны и уровня расположения фронта начала газовыделения (размера пузырей газа) в жидкости. При этом, чем больше размер переходной зоны шлак-металл, тем выше уровень тепло- и массообмена в системе металл-шлак-дуга способствующий ускорению процессов плавления ЖМО и нагрева металлической ванны, а, следовательно, ускорению процесса электроплавки в целом.
Отсюда следует важный вывод о том, что в случае применения режима нагрева ванны при соответствующих длинах дуг и ступенях напряжения и обеспечение требуемого уровня вспенивания шлака (размера переходной зоны в системе шлак-металл) достигаются наилучшие условия по интенсификации процесса теплообмена от поверхности дуг к шлаку и массообмену в системе шлак - окатыши - металл.
Таким образом, для реальных условий электроплавки стали в ДСП ускорение процесса обезуглероживания металла приводит к повышению размеров переходной зоны шлак - металл и интенсификации процессов плавления ЖМО, т.е. к заметному возрастанию производительности агрегата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Шевцов Е.К., Кочо В.С., Ерошенко В.А. и др. Механизм образования переходной зоны шлак-металл в мартеновской ванне. Известия ВУЗов «Черная металлургия» №1,1974, с.42-50.
- Кочо В.С., Ерошенко В.А.-«Вестник Киевского Политехнического института». Изд-во КГУ, 1967, №3, с. 50-57.
- Боженко Ю.Е., Коршиков С.П., Потапов И.П. и др. // Сталь, №7, 2000. с. 26-28.
- Григорян В.Н., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. - М.:Металлургия, 1979 - 272с.
- Охотский В.Б. Вспенивание сталеплавильных шлаков Известия ВУЗов «Черная металлургия» №6, 1998, с.2-10.
- Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М: Химия, 1983.-263с.