Расчетная концентрация титана. Сталеразливочный ковш до продувки аргоном. Сталеразливочный ковш после продувки аргоном

1 – расчетная концентрация титана;

2 – сталеразливочный ковш до продувки аргоном;

3 – сталеразливочный ковш после продувки аргоном;

4 – промежуточный ковш МНЛЗ;

5 – кристаллизатор МНЛЗ

Рисунок 5.5 — Изменение концентрации титана в стали Х18Н10Т

                         на различных этапах производства непрерывнолитой

                        заготовки

В то же время фактическая концентрация азота в металле значительно выше равновесной с титаном.

1 – в сталеразливочном ковше до продувки аргоном ;

2 – в сталеразливочном ковше после продувки аргоном;

3 – в промежуточном ковше;

4 – в кристаллизаторе

–  –  –  –  равновесные значения [N] и (а_о) с титаном и алюминием

Рисунок 5.6 — Изменение массовой доли азота [N] и активности

                        кислорода (а_о) по ходу технологического процесса

                        производства непрерывнолитой сортовой заготовки

                        из стали Х18Н10Т

Для реакции

                                   (5.31)

и снижение концентрации титана возможно за счет образования и удаления его нитридов. На возможность этого процесса указывает параллельное снижение концентраций азота и титана в металле по ходу разливки. Для уточнения возможности удаления титана в виде нитридов была проведена оценка вероятности гомогенного и гетерогенного образования и выделения зародышей оксида и нитрида титана в жидкой стали.

Таблица 5.6 —Потери титана на различных этапах технологии

По методике [30] была проведена оценка вероятности гомогенного и гетерогенного образования неметаллических включений в жидкой стали 12Х18Н10Т на различных технологических этапах производства непрерывнолитой заготовки, с учетом характерных для каждого этапа параметров жидкого металла. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 — Содержание элементов, температура и коэффициенты активности на различных этапах технологии

*) 1. Сталеразливочный ковш до продувки аргоном; 2. Сталеразливочный ковш после продувки аргоном; 3. Промежуточный ковш; 4. Кристаллизатор.

Вероятность образования зародышей неметаллических включений в жидкой стали можно оценить, пользуясь известными уравнениями теории зарождения новой фазы [31]

,                                     (5.32)

где   J – число зародышей, возникающих в единице объема расплава за единицу времени;

 – изменение энергии Гиббса при образовании сферического зародыша критического размера

                               (5.33)

Н – частотный предэкспоненциальный фактор, (см³ с)^-1;

k – постоянная Больцмана;

М,  – молекулярная масса и плотность вещества зародыша

(неметаллического включения);

 – степень химического пересыщения расплава реагентами, необходимая для образования включения R_nX_m и равная

 где  и  –

произведения фактических и равновесных активностей компонентов;

 – межфазное натяжение на границе металл – включение.

Критическое пересыщение, необходимое для гомогенного выделения включения, можно рассчитать из уравнений (5.32) и (5.33) при J = 1 см^-3 ´ с^-1, тогда

                            (5.34)

Выражение (5.34) позволяет оценить возможность гомогенного выделения неметаллических включений в объеме жидкой стали по величине . Гетерогенное зародышеобразование (на готовых подложках) требует, как правило, меньших энергетических затрат. Поскольку изменение энергии Гиббса при образовании частицы можно выразить через степень пересыщения

                                         (5.35)

то

                          (5.36)

Формула (5.36) позволяет сравнить значения степеней пересыщений, необходимых для гомогенного и гетерогенного образования включений в расплаве.

Оценим вероятность образования нитридов титана, для чего воспользуемся формулой Неймана

Зная краевой угол смачивания расплавом нитрида титана q=100⁰

Значение Н для различных включений находится в пределах

10²⁶–10²⁹ см^-3 сек^-1

Принимаем для нашего случая Н =10²⁷ см^-3 сек^-1=10³³ м^-3 сек^-1, тогда

,

a = 846.

Таким образом, для гомогенного выделения твердых частиц ТiN (температура плавления 3103 К) перед аргонной продувкой расплава в сталеразливочном ковше, требуется очень большая степень пересыщения расплава азотом и титаном. Такое пересыщение, с учетом (а_Ti*a_N)_равн =  4,1*10^-3, возможно при концентрации азота в расплаве

, что не может быть достигнуто, поэтому гомогенное выделение включений TiN в стали 12Х18Н10Т маловероятно.

Аналогичные расчеты для гомогенного образования оксида алюминия Al₂O₃ показывают, что требуемая степень пересыщения a= 830, а концентрация кислорода с учетом (a_Al²_* a_o³)_равн = 0,337*10^-13 при 1903 К должна составлять больше 0,0120 %.

Такое содержание кислорода является вполне реальным и для нашего случая оно ниже (0,0135 %) полученного на опытных плавках.

Для гомогенного образования оксидов титана также требуется более высокая концентрация кислорода, чем полученная в ходе эксперимента.

Оценим теперь возможность гетерогенного образования нитридов титана на оксидных включениях (Al₂O₃), как на готовых подложках.

Гетерогенное зародышеобразование (на готовых подложках) требует, как правило, меньших энергетических затрат.

Сравнивая уравнения (5.34) и (5.35) получаем, что , т.е. примерно пропорционально поверхностной энергии в степени 3/2 [31,32].

Очевидно, что поверхностная энергия для выделения зародыша нитрида на оксидном включении в 4 раза меньше, чем при гомогенном образовании.

( – в первом случае и  – во втором, r –радиус зародыша).

Тогда,

Отсюда ,

В результате проведенных расчетов было установлено, что на всех рассмотренных участках получения непрерывнолитой заготовки возможно гомогенное образование оксида Аl₂O₃ и гетерогенное образование оксида Ті₂О₃ на готовых подложках оксида алюминия, и на неметаллических включениях, содержащихся в раскислителях и ферросплавах. В процессе непрерывной разливки создаются условия для окисления титана и потерь его в виде нитридов, выделяющихся на готовых подложках оксидов алюминия и титана.

Результаты проверки расчетов хорошо согласуются с полученной в ходе экспериментов зависимостью угара титана в промежуточном ковше и доли его потерь с азотом содержащимся в металле от активности кислорода перед непрерывной разливкой (рис. 5.7).

Установлено, что повышение активности кислорода перед разливкой вызывает увеличение не только суммарного угара титана в промежуточном ковше, но и доли его потерь с азотом, что подтверждает преимущественное удаление титана в виде TiN, которые выделяются на подложках оксида алюминия и титана.

Одним из факторов, способствующих повышению активности кислорода может быть контакт расплава с атмосферой. При непрерывной разливке стали с использованием защитных труб