Tento článok bol vytlačený zo stránky https://referaty.centrum.sk

 

Kyslík v železe a oceli

Kyslík v oceliarskej praxi zaujíma špeciálne postavenie. Na jednej strane zohráva mimoriadne významnú úlohu v rafinačných procesoch, na strane druhej predstavuje vari jednu z najškodlivejších prímesí obsiahnutých v hotovej oceli. Práve dnes, keď problém výroby vysokočistých ocelí spočíva nielen v znižovaní obsahu nežiadúcich prímesí v priebehu výroby kovu, ale tiež vzhľadom k extrémne nízkym hodnotám, nadobúda čoraz väčší význam zabránenie jeho rastu v priebehu odpichu, prelievania, ďalšieho spracovania až po odlievanie, štúdium jeho chovania sa v kovovom kúpeli patrí medzi najvýznamnejšie úlohy praktickej metalurgie. Rozdelenie ocelí podľa spôsobu dezoxidácie

a/ upokojené ocele
b/ neupokojené ocele
c/ poloupokojené ocele

Teoretické základy kyslíkového konvertorového pochodu

Súčasné spôsoby výroby ocele majú jedno spoločné pomenovanie – nepriame spôsoby výroby ocele. Podstata pochodu výroby ocele týmito spôsobmi spočíva hlavne v oduhličovaní tekutého kúpeľa. Proces oduhličovania sa uskutočňuje prostredníctvom reakcie oxidácie. To znamená, že u všetkých nepriamych spôsobov výroby ocele je nevyhnutný kyslík – hlavný prvok reakcie oduhlličenia v oceliarenskom pochode. Teoretický výskum reakcií, ktoré prebiehajú pri výrobe ocele, sa orientuje na štúdium oxidačných reakcií celej sústavy, predovšetkým však na oduhličovaciu reakciu, fyzikálno-chemické zákony všetkých reakcií hutníckeho pochodu, na tvorbu trosku a ďalšie javy tohto pochodu. Na mechanizmus reakcií, ktoré prebiehajú v kyslíkových konvertoroch má veľký vplyv aj charakter kyslíkového prúdu. Pri fúkaní kyslíka do kúpeľa prúd kyslíka riadi prebiehajúce pochody v tavenine. Aerodynamika kyslíkového prúdu v tekutom kúpeli

Ak prúd kyslíka opustí ústie dýzy, v dôsledku premiešavania s okolitým prostredím, stráca energiu a rýchlosť. V prípade polohy trysky nad kúpeľom, takýmto prostredím je plynná fáza konvertorovej dutiny, ktorá pozostáva hlavne z oxidu uhoľnatého, vylučovaného z kúpeľa a nasávaného pvzduchu do konvertora.

Výtok kyslíka z trysky je prakticky adiabatický a jeho výtoková rýchlosť /W0/ je daná rovnicou:



kde  - výtokový súčiniteľ, rešpektujúci vplyv trenia a odchýlku od
adiabatického pochodu
g – gravitačné zrýchlenie,
K – koeficient adiabaty /pre kyslík a dvojatómové plyny K = 1,4/,
R – plynová konštanta,
T1 – absolútna teplota prostredia, z ktorého plyn vyteká,
p1 – tak prostredia, z ktorého plyn vyteká,
p2 – tlak prostredia obklopujúci trysku. Kyslík v LD-konvertorovej oceli

Hlavným faktorom, ktorý vplýva na obsah kyslíka v kúpeli pri skujňovaní v LD-konvertore je uhlík, rozpustený v kovovej tavenine.
Obsah kyslíka do kúpeľa sa v ktoromkoľvek čase určuje intenzitou príkonu kyslíka do kúpeľa sa intenzitou jeho odstránenia z kúpeľa v podobe oxidu uhoľnatého. Samozrejme, že určitú úlohu, hlavne na začiatku tavby, majú aj iné prímesi /Si, Mn, P a ďalšie/, ktoré svojim oxidovaním odnášajú kyslík z kovu do trosky v podobe ich oxidov. Pre výrobu prevažnej väčšiny ocelí má veľký význam nielen absolútny obsah kyslíky v kove pred dezoxidáciou, ale ja stabilita tohto obsahu u rôznych tavieb pri danom obsahu uhlíka. Pre niektoré druhy ocelí, napr. pre neupokojené a poloupokojené, táto stabilita oxidácie kovu pred odpichom a dezoxidáciou má rozhodujúci význam. Obr. 1: Zmena obsahu kyslíka vkove v priebehu fúkania v 10 t kyslíkovom
konvertore, 1-rovnovážna krivka [C]+[O]=0.0025, 2-oblasť
pozorovaných aktivít kyslíka v kovovej tavenine, 3-obsah kyslíka
stanovený vákuovou extrakciou

Na obr. sú nanesené body, ktoré charakterizujú koncentrácie kyslíka v kúpeli 100 t konvertora, stanovené metódou vákuovej extrakcie a oblasť aktivít kyslíka (šrafované), stanovené metódou elektromotorického napätia a rozpočítané so zohľadnením hodnôt , získaných experimentálnou cestou. Oblasť aktivít kyslíka je umiestnená v blízkosti rovnovážnej krivky [C] a [O], stanovenej Vacherom a Hamiltonom, bez zohľadnenia vplyvu uhlíka na aktivitný koeficient kyslíka. Z obrázku je vidieť, že počiatočný stupeň oxidácie kúpeľa sa postupne znižuje so znižovaním obsahu uhlíka v kovovej tavenine a prechádza cez minimum. Interval tohto minima je v jednotlivých prácach rôzne posunutý: podľa Elliota je minimum v oblasti 0,2 až 0,5 % C, podľa Javojského 0,6 až 1,2 % C. Všetci autori však zhodne konštatujú zvyšovanie obsahu kyslíka pri obsahoch uhlíka pod 0,2 %. Praktický význam má absolútna hodnota a interval kolísania stupňa oxidácie kovu pred jeho odpichom do panvy a dezoxidáciou. Príčinou značných výkyvov koncentrácie kyslíka na konci tavby v LD-konvertore je nerovnomernosť rozmiestnenia kyslíka v objeme kovu. V priebehu fúkania jednotlivé objemy konvertorového kúpeľa majú rozdielny stupeň oxidácie. Preoxidovanie kovu sa vyskytuje najmä v oblasti reakčnej zóny.

Experimentálne je stanovené, že po ukončení fúkania do 3 až 5 minút dochádza k autodezoxidácii kovovej taveniny, v prevažnej miere uhlíkom.
Úlohou oceliarov je získať rovnorodú taveninu, ktorá pre upokojené ocele by mala mať minimálne a pre neupokojené ocele – optimálne hodnoty kyslíka. Toto je možné dosiahnuť dvoma spôsobmi:
a/ stabilizovaním stupňa oxidácie kovu pri odpichu optimálnym režimom
fúkania,
b/ pridaním presne určeného množstva hliníka pri dezoxidácii, odpovedajúceho obsahu kyslíka v kove pri odpichu.
V obidvoch prípadoch je treba mať presnú a rýchlu informáciu o hladine kyslíka v kovovej tavenine, ktorú môže poskytnúť kyslíková sonda, založená na princípe merania elektromotorického napätia.
Na obsah kyslíka je pri ukončení konvertorovej tavby vplývajú najmä tieto faktory:
a/ dofuk tavby, vyvolaný potrebou korigovať konečnú teplotu, alebo chemické zloženie ocele (má záporný vplyv),
b/ podobný účinok má použitie rudy na zníženie konečnej teploty tavby. Dochladzovanie tavby je treba prevádzať zásadne pevným surovým železom alebo oceľovým odpadom.

Kyslík v železe a oceli

Počas celého procesu výroby ocele dochádza k výmene kyslíka medzi kovom a prostredím v rôznych formách zastúpenia. Kyslík do procesu vstupuje s kovmi, z atmosféry, z rafinačného kyslíka, z troskotvorných prísad, z trosiek, žiaruvzdorov, liacich práškov a pod. Z kovu je odvádzaný buď vo forme troskovej, alebo plynnej fázy vo forme oxidov. Vzťah medzi intenzitou prívodu a odvodu kyslíka z kovu určuje charakter procesu. Forma a miera prítomnosti kyslíka v kove určujú vo veľkej miere jeho vlastnosti. Rozpustnosť kyslíka v tekutom železe možno určiť zo vzťahu:

log/%O/sat = (-6380/T) + 2,765

Obsah kyslíka v kove sa nachádza niekde medzi rovnováhou kyslíka s uhlíkom v kove a obsahom oxidov železa v troske, avšak bližšie k hodnotám, rovnovážnym s uhlíkom.
Pre vyjadrenie vzťahu medzi okysličením kúpeľa, zložením kovu a vlastnosťami trosky boli nájdené rôzne poloempirické formulky, napr.

a/O/ = 0,00142/ /O/ - 0,0194 /Mn/ + 0,0000472t + 0,306a/O/ - 0,0665

kde t - teplota kovu v °C
a/O/ - aktivita kyslíka v kove pri rovnováhe s troskou. Zdrojom znečistenia kovu kyslíkom a jeho splodinami bývajú tiež inertné plyny, nechránený prúd ocele, netestnosti v zariadeniach sekundárnej metalurgie a výtokových uzlov, t.j. všetky miesta umožňujúce prístup vzdušného kyslíka, avšak i krycie trosky a liacie prášky, teda reagenty, ktorých jednou z funkcií je ochrana tekutého kovu pred reoxidáciou, prípadne tiež žiaruvzdorné materiály, obr.2. Obr.2.

Zdroje kyslíka v systéme taviaci agregát – kontizliatok


Reoxidácia tekutej ocele

Čistota a kvalita produktu opúšťajúceho zariadenia pre nepretržité odlievanie ocele závisí v prvom rade od zamedzenia kontaktu tekutej ocele s vonkajšími zdrojmi kyslíka – reoxidácia kyslíkom z atmosféry a z trosky. Takto možno tento proces rozdeliť do niekoľkých etáp: odpich z výrobného agregátu, spracovanie kovu v panvovej peci, prelievanie kovu do medzipanvy, liatie do kryštalizátora. Proces reoxidácie v každej z týchto etáp vykazuje svoje charakteristické špecifiká, zahrnuté vo viacerých prácach do odpovedajúcich modelov absorpcie kyslíka z plynnej a troskovej fázy. Napr. pohlcovanie kyslíka kovom cez povrch prúdu ocele možno vyjadriť vzťahom:

OP = 0,518*106*pO2/Tg*(Dg4*/vg)1/6*(z/U0)1/2*1/psr0

kde: OP – množstvo pohlteného plynu, ppm
pO2 – parciálny tlak kyslíka v atmosfére, atm
Tg – teplota plynu, K
Dg – difúzny koeficient kyslíka v plyne, cm2/s
vg – kinematická viskozita plynu, cm2/s
z – výška liatia, cm
U0 – výtoková rýchlosť prúdu ocele, cm/s
ps – hustota ocele, g/cm3
r0 – polomer prúdu ocele, cm.

Ide o ilustráciu faktorov ovplyvňujúcich proces reoxidácie kovu. Obdobné vzťahy možno odvodiť pre prípad pohlcovania kyslíka prostredníctvom bubliniek plynu strhnutých do kovu počas odpichu, alebo vytekania kovu do medzipanvy, ako i pre prípad naplynenia kovu cez povrch ocele v panve. Za efektívne sa posudzuje vytváranie inertnej atmosféry suchým ľadom, prisadzovaným napr. do prázdnej panvy. Ak sú tieto premývané argónom, a ak je nad hladinou vytvorená inertná atmosféra, možno počítať s podstatne menším nakysličením kovu.

Obecne platí zásada práce s kovom vždy pod ochranou vytváranou buď plynnou fázou, buď keramikou, alebo troskami. V prípade reoxidácie troskami, najväčší vplyv majú transportné vlastnosti reagujúcich fáz. Ide tu o difúzne parametre, intenzitu miešania, veľkosť medzifázového povrchu, povrchové napätie, adhéziu a kohéziu ale tiež pozíciu k rovnovážnemu stavu, rozhodujúcu o smere vratných procesov. Panvová troska musí spĺňať nasledujúce funkcie:
- vďaka vytvoreniu kompaktnej tekutej oxidickej vrstvy chrániť kov pred absorpciou kyslíka a ďalších plynov
- asimilovať nekovové inklúzie z kovu
- mať vo vzťahu k oceli neoxidačný, skôr redukčný charakter
- mať desulfuračnú schopnosť
- neerodovať žiaruvzdorné materiály
- izolovať kov pred stratami tepla
- stabilizovať priebeh ohrevu kovu.
Tieto funkcie veľmi dobre plnia vápenato-hlinité trosky, charakterizované pomerne nízkou teplotou tavenia. Napr. trosky s obsahom 50 až 55 % CaO, 40 až 45 % Al2O3, 3 až 5 % SiO2.

Mikročistota ocele

Konečnú čistotu ocele ovplyvňujú všetky operácie, ktorým je podrobená. Je dobre známe, že dezoxidácia kovu nemôže byť realizovaná ani privčas, v dôsledku nadbytočného prepalu dezoxidovadiel, ani prineskoro, kedy proces odstraňovania nekovových inklúzií bude nedostatočný. Zároveň, samotná realizácia dezoxidácie – množstvo prísad, ich poradie, typ, ale i stav kúpeľa v konečnom dôsledku významne ovplyvňujú čistotu kovu. Hlavná masa nečistôt z kovu je odstraňovaná hneď po dezoxidácii, ale tiež počas mimopecného spracovania. Podmienkou sú optimálne medzifázové pomery, dobrá tekutosť kovu, usmernené prúdenie ocele a sorpčná schopnosť trosky. Rafinácia ocele od nekovových inklúzií menších ako 50 μm vyžaduje využívanie špeciálnych technológií, nakoľko tradičné technológie ich odstraňovanie neumožňujú. Pre superčisté ocele sú často kritické i obsahy oxidických inklúzií vo ferozliatinách.


Obr. 3: Zdroje znečistenia

Pre tieto účely je nutné využiť panvu odlievaciu i medzipanvu. K dispozícii je komplex účinkov zahrňujúci krycie trosky s rafinačnými schopnosťami, usmernenie prúdenia ocele, keramické filtre, prebublávanie argónom, prípadne iný mechanizmus umožňujúci flotáciu nekovových inklúzií. V súlade s teoretickými analýzami, i praktickými výsledkami, najlepšieho flotačného efektu sa dosiahne pri zaplnení celého objemu kovu maličkými bublinkami plynu. I keď sa ukazuje byť vhodnejšou medzipanva, dobré výsledky možno dosiahnuť i v odlievacej panve, zvlášť pri využití kombinácie nasýtenia ocele plynom, a následovným znížením tlaku nad kovom, kedy sa dosiahne zárodkovanie bubliniek plynu na inklúziách, a tým i ich flotácia do trosky. Záver

Bolo potvrdené, že k problému čistoty ocele, a tým i k regulácii obsahu kyslíka v kove v jeho rôznych formách treba pristupovať komplexne, s využitím všetkých dostupných prostriedkov prevencie znečistenia kovu vo všetkých uzloch až o kryštalizátor, avšak i efektívneho využitia prostriedkov jeho rafinácie.

Zdroje:
Kijac, Možnosti regulácie obsahu /O/ v technologickom cykle EAF-ZPO, Hutnícke listy . 8/2000 -
Mihalič V., Oceliarstvo II ,Bratislava, Alfa, 1983 -

Koniec vytlačenej stránky z https://referaty.centrum.sk