ОСОБЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ВАННЕ КИСЛОРОДНОГО КОНВЕРТЕРА

Технология кислородно-конвертерного производства стали определяется процессами, протекающими в реакционной зоне конвертера, состоящей из «первичной» и «вторичной» зон. «Первичная» зона – это кратер, образовавшийся в результате соударения сверхзвуковой газовой струи с поверхностью расплавленного металла, заполненный каплями металла диаметром 0,1 – 2 мм. Окружающая ее «вторичная» зона состоит из расплава с огромным количеством газовых пузырьков диаметром 0,2 – 4 мм. Суммарная площадь поверхности капель и пузырьков на четыре порядка больше поверхности спокойного расплава, что говорит о важной роли, которую играют при производстве стали процессы, протекающие на межфазных границах. Структура реакционной зоны и распределение в ней температуры изучались методом «горячего» моделирования, когда расплавленный чугун продувался кислородом в прозрачном кварцевом тигле, через стенку которого проводилась фото- и киносъемка. Помимо распределения температуры, отснятые материалы позволили также изучить гидродинамику ванны непосредственно в зоне продувки. Самым неожиданным результатом «горячего» моделирования оказалось движение пузырьков во «вторичной» зоне. Они двигались по нормалям к поверхности кратера, т.е. почти горизонтально, вместо того, чтобы всплывать вертикально, как это было при «холодном» моделировании на воде. Это явление обусловлено неоднородностью поверхностного натяжения расплава, вследствие чего пузыри перемещались в направлении более высоких температур. В жидкости с градиентом температуры поверхностное натяжение перед и за пузырьком различны. Силы, сжимающие пузырек позади него больше, чем спереди, что «выталкивает» его в сторону уменьшения поверхностного натяжения. Неоднородность поверхностного натяжения обусловлена градиентом температуры (до 1200 °С в пределах «вторичной» зоны) и изменением концентрации компонентов расплава, в особенности кислорода. Поверхностное натяжение железоуглеродистых расплавов с увеличением температуры изменяется неоднозначно. С повышением температуры до 1550 °С поверхностное натяжение растет, но при достижении 1550 – 1600 °С происходит перегиб, после чего оно начинает уменьшаться. Чем ниже содержание углерода в расплаве, тем выше точка перегиба. Движение газовых пузырей и инородных фаз в сторону уменьшения поверхностного натяжения начинается от изотермы 1550 °С, которая, таким образом, является внешней границей «вторичной» зоны, отделяющей ее от остальной ванны. Внутри нее результирующий вектор поверхностных сил толкает газовые пузырьки и частицы шлака вместе с массой расплавленного металла двигаться с ускорением горизонтально в сторону кратера. Это явление определяет всю гидродинамику сталеплавильной ванны и связанное с ней перераспределение кислорода по различным частям ванны и, следовательно, процесс рафинирования в целом.

1. Явойский В.И., Дорофеев Г.А., Повх И.Л. Теория продувки сталеплавильной ванны. – М.: Металлургия, 1974. – 496 с.

2. Баптизманский В.И., Охотский В.Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. – Киев-Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1981. – 184 с.

3. Хисамутдинов Н.Е., Явойский А.В., Гребенюк Н.А. Термокапилярные явления при продувке металлических расплавов // Изв. АН СССР. Расплавы. 1989. Т. 3. № 2. С. 3 – 8.

4. Явойская О.В., Явойский А.В., Хисамутдинов Н.Е., Хисамудинов С.Н. Температура реакционной зоны кислородного конвертера // Тр. XI Российской конф. «Строение и свойства металлических расплавов». – Екатеринбург – Челябинск: ЮрГУ, 2004. Т. 2. С. 248 – 250.

5. Явойский В.И., Явойский А.В. Научные основы современных процессов производства стали. – М.: Металлургия, 1987. – 184 с.

6. Баптизманский В.И. Механизм и кинетика процессов в конвертерной ванне. – М.: Металлургиздат, 1960. – 283 с.

7. Сурин В.А., Назаров Н.Н. Массо- и теплообмен, гидродинамика металлической ванны. – М.: Металлургия, 1993. – 352 с.

8. Явойская О.В., Хисамутдинов Н.Е., Явойский А.В., Хисамутдинов С.Н. Термокапилярные явления в кислородно-конвертерном процессе // Тр. XIII Российской конф.: «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Т. 2. «Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем». – Екатеринбург: УрОРАН, 2011. С. 186 – 189.

9. Адамсон А. Физическая химия поверхностей / Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. – 568 с.

10. Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз / Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 269 с.

11. Попель С.И. Поверхностные явления в процессах производства стали. В сб.: «Физико-химические основы процессов производства стали». – М.: Наука, 1979. С. 71 – 79.

12. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. – М.: Металлургия, 1994. – 440 с. 13. Еланский Г.Н., Кудрин В.А. Строение и свойства жидкого металла – технология плавки – качество стали. – М.: Металлургия, 1984. – 239 с.

13. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов (одно- и двухкомпонентные системы): Справочник. – М.: Металлургия, 1981. – 208 с.

14. Марч Н.Г. Жидкие металлы / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 128 с.

15. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Свойства металлических расплавов и их взаимодействие в сталеплавильных процессах. – М.: Металлургия, 1983. – 216 с.

16. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства. – М.: Металлургия, 1976. – 376 с.

17. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд. – М.: Наука, 1967. – 492 с.

18. Взаимодействие расплавленного металла с газом и шлаком / С.И. Попель, Ю.П. Никитин, Л.А. Бармин и др. – Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1975. – 184 с.

19. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1972. – 247 с.

20. Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др. – М.: Металлургия, 1984. – 208 с.