Г л а в а 9. К И Н Е Т И Ч Е С К И Е М О Д ЕЛ И И РА С Ч Е Т Ы
ОК И С Л И Т Е Л Ь Н Ы Х П РО Ц ЕС С О В П РИ
ОБЕ ЗУ Г Л Е РО Ж И В А Н И И С ТА Л И
9.1.Уравнения кинетических моделей окислительного процесса
Вокислительный период плавки во время продувки жидкого ме талла кислородом происходит не только обезуглероживание расп лава, но и окисление всех компонентов металлического раствора, в том числе и железа. Закономерности и кинетические модели процесса обезуглероживания стали изложены в предыдущей главе. Основываясь на них, рассмотрим закономерности и модели окисли тельного процесса в целом. Примем следующие ограничения (условия):
1.Окисление растворенных в жидком металле компонентов происходит за счет подводимого кислорода.
2.В реакционной зоне происходит распределение подводимого кислорода на окисление компонентов расплава:
1=1
где W0 ^ - скорость подвода кислорода, с'1; |
- скорость расхода |
кислорода на окисление компонента /, с’1; т| - коэффициент исполь зования кислорода на окисление всех компонентов расплава, r| < 1.
3.Примем, что компоненты окисляются по реакциям:
[С]+720 2=С0; [Mn]+'/20 2=(Mn0); |
[Si]+02=(Si02); |
|
[Cr]+746 2=72(Cr20 3); |
[Fe]+720 2=(Fe0). |
|
Тогда скорости окисления компонентов (V,) связаны со скоро стями расхода кислорода на окисление этих компонентов через стехиометрические коэффициенты перед кислородом (v,) в этих реакциях:
9.2. Экспериментальная проверка уравнений кинетических моделей окислительного процесса
На опытных плавках нержавеющей стали в 20-т дуговой печи в период продувки кислородом легированной ванны периодически отбирали пробы металла для определения состава жидкого металла. Состав металла в каждой пробе выражали в мольных долях и построили кинетические кривые окисления компонентов. В этом случае было учтено различие атомных масс компонентов
расплава. На рис. 9.1, а показаны кривые окисле ния хрома, углерода, кремния и марганца по результатам одной опыт ной плавки. По наклону этих кривых рассчитали скорости окисления ком понентов и построили кривые скоростей окис ления в зависимости от времени процесса (рис. 9.1, б).
Скорости окисления компонентов можно сравнивать между собой и со скоростью подвода кислорода, если эти ско рости выражены в одних и тех же единицах: моль ных долях в секунду.
Рис. 9.1. Кинетические кривые окисле ния компонентов во время кислородной продувки легированного расплава при выплавке нержавеющей стали в 20-т дуговой печи
График показывает, что в первый период окислительного процесса преимущественно окисляется углерод с высокой и постоянной скоростью. Скорости окисления кремния и марганца незначительны. Скорость окисления хрома в первый период окислительного процесса соизмерима с низкими скоростями окисления кремния и марганца и существенно ниже скорости
обезуглероживания.
При мольной доле углерода X c^O l начинается второй период
окислительного процесса, в течение которого скорость окисления углерода постоянно понижается и одновременно возрастает скорость окисления хрома.
Сложили скорости окисления компонентов, умноженные на стехиометрические коэффициенты перед кислородом, на коротких участках окислительного процесса. Эти суммы показаны точками (см. рис. 9.1, б). Расчетные точки незначительно отклоняются от средней постоянной величины, показанной горизонтальной линией. Это экспериментально подтверждает предположение о том, что в течение всего окислительного процесса сумма скоростей окисления компонентов расплава с учетом стехиометрических
коэффициентов остается практически постоянной.
Результаты этой и других опытных плавок показывают, что при кислородном рафинировании металлической ванны сложного состава одновременно окисляются все растворенные в стали компоненты. Каждый компонент имеет свою скорость окисления, которая постоянно изменяется во время окислительного процесса. Сумма скоростей совместного окисления компонентов с учетом стехиометрических коэффициентов, равная расходу кислорода на окисление всех компонентов расплава, остается практически постоянной, но она ниже скорости подвода кислорода. Отсюда выявляется величина коэффициента использования кислорода на окисление всех компонентов расплава, которая также остается
постоянной в течение окислительного периода плавки: |
|
||
^ = ^ о |
2/ |
к |
(9.7) |
/=1 |
|||
|
2 > ^ . « const |
||