Взаимодействие стали с атмосферой при непрерывном литье. Теоретические основы взаимодействия струи металла с воздухом при непрерывном литье

5 Взаимодействие стали с атмосферой

при непрерывном литье

5.1 Теоретические основы взаимодействия струи

металла с воздухом при непрерывном литье

Некоторые особенности МНЛЗ создают более благоприятные условия для развития нежелательных процессов вторичного окисления стали, чем обычный способ разливки в изложницы.

Одной из таких особенностей непрерывного литья заготовок является относительно малая массовая скорость разливки, составляющая 0,8—1,0 против 1,5—6,0 т/мин при разливке в изложницы [21].

Степень вторичного окисления металла в процессе разливки зависит от площади и продолжительности его контакта с кислородом воздуха. Площадь контакта жидкого металла с кислородом окружающей атмосферы при непрерывном литье складывается из следующих элементов: поверхности струи, вытекающей из сталеразливочного ковша; зеркала металла в промежуточном ковше; поверхности струи, вытекающей из промежуточного ковша в кристаллизатор, зеркала металла в кристаллизаторе.

Удельная площадь контакта жидкого металла с кислородом окружающей среды может быть определена из следующих зависимостей:

                                 (5.1)

откуда

                                                                                     (5.2)

или для стали

                                                                                (5.3)

где  – удельная площадь контакта, м²/т;

 – общая площадь потока, м²;

       М – масса жидкой стали, т;

 – длина потока, м;

       – диаметр потока, м;

 – плотность жидкой стали, т/м³.

Согласно зависимости, установленной Ю. А. Шульте [22], удельная площадь контакта потока при изменении его диаметра изменяется по закону гиперболы.

Продолжительность контакта зависит от пути потока в атмосфере и может быть приближенно определена из параболического уравнения свободного падения тела:

                                                 (5.4)

где  – ускорение силы тяжести, м/с².

Вторичное окисление элементов происходит как вследствие увеличения их химического сродства к кислороду при понижении температуры металла, так и в результате его контакта с кислородом атмосферы. При соприкосновении жидкого металла с атмосферой происходит инжектирование воздуха и поверхностное окисление струи расплава, поскольку струя из стакана вытекает очень неровная с сильно развитой поверхностью.

Суммарное содержание кислорода в стали в процессе выпуска и разливки может увеличиваться в два-три раза, повышается также и концентрация азота.

Многие исследователи [23] считают, что основной причиной поглощения кислорода металлом является очень большое различие парциальных давлений кислорода в атмосфере (0,2 ат) и внутри струи раскисленного металла ( ат). При анализе взаимодействия струи металла с воздухом нужно учитывать влияние снижения температуры металла на процесс образования оксидных неметаллических включений.

Присутствие в стали двух и более раскислителей влияет на активность их оксидов, а следовательно, и на образование оксидных включений в процессе снижения температуры жидкого металла. Это обстоятельство тем более важно, что условия всплывания оксидных фаз различные и при снижении температуры ухудшаются вследствие увеличения вязкости металла. С растворенным в металле кислородом в этом случае взаимодействуют все элементы-раскислители. Количество кислорода, взаимодействующего с определенным элементом, пропор-ционально степени химического сродства их друг к другу. Критерием такого сродства может служить изменение свободной энергии системы при взаимодействии элементов  или константа соответствующей реакции:

                                          (5.5)

Следовательно, доля участия каждого элемента, в раскислении стали может быть определена из соотношения величин, определяющих их сродство к кислороду:

.        (5.6)

Соотношение (5.6) можно представить в следующем виде [18].

         (5.7)

Из соотношения (5.7) можно определить активность и содержание различных оксидов в шлаковой фазе, образующейся при понижении температуры металла.

В условиях проведенного исследования перепад температуры металла на участке конвертор — кристаллизатор составлял 160 °С. При понижении температуры, как отмечалось выше, увеличивается сродство к кислороду у растворенных в стали элементов-раскислителей. Долю участия элементов-раскислителей в связывании кислорода можно определить, используя соотношение активностей оксидов в шлаковой фазе:

                 (5.8)

где           

Расчет активностей образующихся оксидов и концентрации кислорода после раскисления и снижения температуры металла проводили при следующих условиях: температура металла перед выпуском из конвертора 1660 °С; концентрации углерода и кислорода соответственно равны 0,07 и 0,042%; концентрации марганца, кремния и алюминия соответственно равны 0,33; 0,03 и 0,05%.

В начале раскисления соотношение активностей оксидов в оксидных включениях в соответствии с уравнением (5.8) будет равно:

Используя полученные значения активностей оксидов во включениях, из термодинамического уравнения можно получить концентрацию растворенного в стали кислорода, находящегося в равновесии с алюминием: