II

53

RAFINAREA OELULUI LICHID PRIN INJECTAREA MATERIALELOR PULVERULENTE

Adaosurile de materiale solide n bile metalice de oel reprezint o practic obinuit a proceselor metalurgice de aliere, dezoxidare, desulfurare etc. n vederea obinerii unui randament metalurgic ct mai ridicat, adaosurile de diverse caliti i n cantiti diferite trebuie s fie protejate de contactul cu zgura de la suprafa, iar contactul cu baia metalica s fie ct mai lung posibil.

n metalurgia clasic, adaosurile n oala de turnare constituie o modalitate uzual de derulare a unor procese metalurgice, operaia efectundu-se n cursul evacurii oelului din agregatul de topire, pe jgheabul de evacuare, n jetul de oel sau n oala de turnare, randamentele metalurgice obinute fiind variabile de la caz la caz. n general, pentru materialele cu dimensiuni mai mari de 5 cm procesele fizico chimice se deruleaz corespunztor n cazul n care acestea au ptruns suficient de adnc n topitur, probleme tehnologice aprnd n cazul adaosurilor cu dimensiuni mai mici.

n procesele de producere a materialelor de adaos ca i n cele de manipulare a lor, rezult particule de dimensiuni mici (sub 1 - 5 mm), care trebuie valorificate. Pe de alt parte, n unele cazuri, poate fi un avantaj n procesul de producie fabricarea unor adaosuri metalurgice fin granulate.

Unul din mijloacele moderne i de mare eficien pentru obinerea oelurilor de nalt puritate i una din modalitile de valorificare a acestor adaosuri de dimensiuni mici este procedeul de injectare a materialelor pulverulente. Aprut iniial ca o posibilitate de obinere a unor coninuturi sczute de sulf i de incluziuni nemetalice, procedeul s-a extins ulterior i n desfurarea la fel de eficient a altor procese metalurgice, cum ar fi: desilicierea, defosforarea, dezoxidarea, controlul formei i morfologiei incluziunilor nemetalice, alierea i microalierea de precizie etc.

Procedeul de injectare pneumatic a materialelor pulverulente, prin diversitatea operaiilor i proceselor metalurgice ca i prin indicatorii tehnico-economici i mai ales calitativi, poteniali realizabili, se dovedete a fi o tehnologie cu aplicabilitate crescnd n rafinarea secundar a topiturilor metalice, n vederea obinerii unor oeluri de puritate avansat, oeluri speciale, cu caracteristici fizico mecanice superioare.

Procedeul const n introducerea n baia metalic a unor materiale pulverulente prin intermediul unui gaz purttor, cu autorul unei instalaii, a crei schem general de principiu este prezentat n fig. 2.30 [17, 67].

Prin injectarea materialelor pulverulente n topiturile metalurgice se vor obine, deci:

suprafee mari de reacie;

timp de reacie mai ndelungat, deoarece contactul particulelor de material pulverulent cu topitura metalic este mare;

randamente ridicate de asimilare a materialelor de adaos, ntruct introducerea acestora se face chiar n zona de reacie;

separarea avansat a incluziunilor nemetalice datorit condiiilor create prin efectele de agitare a topiturii;

posibilitate de injectare a materialelor pulverulente care prezint presiune ridicat de vapori [68, 69, 70, 71].

Dintre premisele care pot fi luate de asemenea, n considerare n sprijinul acestei tehnologii metalurgice, se pot enumera:

transferul de mas;

transferul de cldur;

mbuntirea durabilitii cptuelilor refractare ale agregatelor metalurgice de tratament;

protecia mediului nconjurtor [72].

2.2.1. HIDRODINAMICA BII METALICE

La injectarea materialelor pulverulente n oelul lichid din oalele de tratament metalurgic se desfoar procese hidrodinamice i fizico - chimice complexe, trstura esenial a acestora fiind aceea c topitura metalic se afl n micare recirculatorie turbulent.

Hidrodinamica bii metalice la injectarea materialelor pulverulente este similar cu cea specific injectrii gazelor inerte sub toate aspectele, fiind determinat de fora de ascensiune cauzat de micorarea densitii n zona pan mixt trifazic gaz lichid material pulverulent, iar valorile de referin pentru parametrii reprezentativi i comportarea de ansamblu a topiturii pot fi descrise de aceleai legi fizice ale micrii [31, 40, 73].

Lucrrile de modelare fizic i matematic din literatur de specialitate care descriu comportarea hidrodinamic a topiturilor metalice la injectarea materialelor pulverulente definesc doar din punct de vedere calitativ, circulaia topiturii metalice [40, 74, 75, 76].

O reprezentare schematic a micrii bii metalice, precum i a zonelor formate n interiorul acesteia la injectarea materialelor pulverulente este prezentat n fig. 2.31 [52, 73]. Conform acesteia, similar cu injectarea singular a gazelor, n interiorul bii metalice aflate n micare recirculatorie turbulent sub aciunea jetului mixt gaz - particule, se creeaz urmtoarele zone caracteristice:

I - zona jetului, locul de impact al amestecului pulverulent transportat de gazul propulsor cu topitura metalic;

II - zona pan mixt trifazic gaz - topitur metalic - material pulverulent, a crei densitate este considerabil mai mic dect cea a topiturii;

III - zona jetului de suprafa i de penetrare a stratului superficial al bii de ctre bulele de gaz;

IV - zona de ntoarcere a curenilor de convecie.

Cu ajutorul valorilor acestor parametri hidrodinamici care caracterizeaz micarea bii metalice se pot defini hrile de viteze i energie cinetic i se pot calcula valorile coeficienilor de transfer de mas i cldur, din care se vor putea descrie traiectoriile particulelor precum i vitezele reaciilor chimice din interiorul topiturii metalice aflate n micare recirculatorie turbulent.

DINAMICA PARTICULELOR de pulberi N BAIA METALIC

Procesul de injectare a materialelor pulverulente n baia metalic poate fi caracterizat prin trei faze distincte care depind de proprietile fizice ale sistemului metalurgic i de condiiile de injectare. Pentru particulele solubile, aceste faze sunt urmtoarele:

contactul particul - baie metalic;

dispersia particulei;

dizolvarea particulei.

Contactul particul - baie metalic

Particulele injectate n baia metalic prezint suprafee mari de reacie, acest potenial avantaj realizndu-se n cazul n care acestea intr n contact cu topitura metalic, iar timpul de contact dintre cele dou faze este suficient de lung pentru ca reaciile metalurgice s se desfoare pn la consumarea integral a reactanilor.

Mecanismul dominant al contactului particul - baie metalic este definit de penetrarea barierei de tensiune interfazic gaz topitur. Evoluia unei particule injectate ntr-o topitur metalic este redat n fig. 2.40.

Conform acestuia, particulele de material pulverulent, de dimensiuni diferite, ptrund n baia metalic nsoite de ctre bulele de gaz (secvena a ). Datorit energiei cinetice mai mari a particulelor fa de cea a bulelor de gaz, particulele se deplaseaz rapid din interiorul bulelor de gaz pe interfaa gaz - topitur (b), comportarea lor depinznd n continuare de energia cinetic pe care o posed fiecare. Particulele cu energie cinetic suficient de mare strpung bariera de tensiune superficial (c) i ptrund n topitur (d), iar celelalte sunt transportate la suprafaa topiturii de ctre bulele de gaz (e).

PROCESE fizico chimice SPECIFICE RAFINRII OELULUI LICHID PRIN INJECTAREA MATERIALELOR PULVERULENTE

Procesul de rafinare a oelului care utilizeaz tehnologia injectrii materialelor pulverulente permite, n funcie de scopul urmrit, prin utilizarea unor pulberi sau amestecuri de pulberi adecvate fiecrui tip de proces n parte,

realizarea unor parametri calitativi superiori fa de alte tehnologii de rafinare, n domenii metalurgice variate ca: desulfurarea, dezoxidarea, defosforarea, desilicierea, modificarea formei i morfologiei incluziunilor nemetalice, alierea i microalirea etc.

n tabelul 2.2. sunt prezentate diferite materiale pulverulente sau amestecuri de materiale pulverulente utilizate pentru realizarea diverselor procese metalurgice, specifice obinerii oelurilor de nalt puritate. Procesele fizico chimice posibil de realizat prin aplicarea procedeului de injectare a materialelor pulverulente, se desfoar dup aceleai legiti specifice tuturor proceselor metalurgice de acelai tip, cu unele particulariti distincte.

Tabelul 2.2

Materiale pulverulente utilizate n procesul de rafinare prin injecie

Procesul metalurgic

Materiale pulverulente

DezoxidareaCaSi; CaSiBa; CaSiMn.

DesulfurareaCaSi; CaO + Al; CaO + Al + CaF2; CaC2; CaO + CaC2; CaO + MgO; CaC2 + CaCO3; etc.

Modificarea sulfurilorCaSi; SiZr.

DefosforareaCaO + CaF2 + Fe2O3.

Eliminarea azotuluiFeZr; SiZr.

Alierea

sau

microalierea[Si]FeSi 75

[N]CaCN2

[C]pulbere de grafit

[Ni]oxizi de nichel

[Mo]oxizi de molibden

Astfel, tratarea oelului lichid prin procedeul de injectare a materialelor pulverulente coninnd calciu se dovedete a fi posibilitatea cea mai promitoare privind desfurarea a dou procese fizico - chimice deosebit de importante n obinerea unui oel de nalt puritate, procese care prin termodinamica lor i prin factorii de influen comuni, se condiioneaz reciproc: dezoxidarea i desulfurarea.

Aplicarea procedeului de injectare a materialelor pulverulente pentru desfurarea acestor dou procese metalurgice, se bazeaz pe utilizarea extrem de eficient, caracteristic doar acestui procedeu, a compuilor pe baz de calciu, care alctuiesc marea majoritate a amestecurilor pulverulente utilizate n acest scop i care sunt prezentate n tabelul 2.2.

Calciul i alturi de el magneziul, sunt elemente care posed o mare afinitate pentru oxigen i sulf i care pot fi utilizate cu succes att n derularea proceselor mai sus - menionate ct i pentru realizarea unui coninut ct mai sczut de incluziuni nemetalice i schimbarea formei i morfologiei acestora.

Fig. 2.46 i 2.47 prezint aspecte privind echilibrele de dezoxidare i desulfurare pentru diferite elemente n fierul lichid la 1600 (C, din care se observ marea afinitate a calciului pentru oxigen i sulf [100, 101]. Calciul reprezint de fapt, cel mai energic dintre agenii de dezoxidare i desulfurare utilizai n practic, puterea sa de dezoxidare depind pe cea a Si, Sr, Ba, dup cum se observ n fig. 2.48. Cu toat capacitatea sa de dezoxidare deosebit, calciul nu poate fi utilizat singur ca element dezoxidant i desulfurant, din cauza tensiunii sale ridicate de vapori la temperatura bii metalice, temperatura de fierbere a calciului fiind de 1492(C.

Din aceast cauz, solubilitatea calciului n oelul lichid este foarte sczut, fiind de 0,032 % la 1600 (C. Solubilitatea calciului crete n prezena unor elemente dizolvate n baia metalic, cum ar fi siliciul, aluminiul, nichelul, motiv pentru care se i practic utilizarea dezoxidanilor compleci.

Pentru a mri durata de contact a calciului cu baia metalic, n practica dezoxidrii i desulfurrii s-au adoptat msuri tehnologice adecvate, dintre care se pot enumera:

folosirea calciului sub form de aliaje cu elemente care mresc solubilitatea acestuia n baia metalic;

injectarea aliajelor n stare pulverulent, cu ajutorul unui gaz inert la adncimi mari ale bii metalice.

La injectarea produilor pe baz de calciu n baia metalic: CaC2, CaCN2, CaCl2, datorit temperaturii ridicate din cursul procesului de rafinare, acetia se disociaz, cu formarea vaporilor de calciu {Ca}, care n drumul lor spre suprafaa topiturii sunt supui efectelor de coalescen i dezintegrare i care reacioneaz cu oxigenul i sulful prezente n baie, dup reaciile:

{Ca} + [O] ( (CaO); log K= log[Ca][O] = - 34338/T+ 9,764, (2.100)

{Ca} + [S] ( (CaS); log KS = log[Ca][S] = 15300/T 5,65, (2.101)

formnd compui care se separ la suprafaa bii metalice n zgur.

Mecanismul de desfurare a acestor procese metalurgice, cu participarea compuilor pe baz de calciu, injectai n topitur este prezentat n fig. 2.50.

Coalescena bulelor de {Ca} este posibil datorit micorrii presiunii ferostatice, odat cu ascensiunea acestora n baia metalic. Ca urmare a desfurrii reaciilor chimice din baie, volumul bulelor de calciu se micoreaz treptat pn la suprafaa bii, n condiii optime fiind posibil consumarea integral a calciului.

Literatura e specialitate ofer numai date calitative privitoare la adncimea de injectare a produilor pe baz de calciu. Totui, fr a oferi o fundamentare teoretic suficient de dezvoltat, se consider c adncimea de injecie trebuie s fie de circa 2,8 3,0 m, pentru a se obine randamente ridicate.

Produii de reacie formai (CaO, CaS, silicai, aluminai de calciu, etc.), datorit densitii mici n comparaie cu densitatea bii metalice, se separ la suprafaa acesteia formnd faza ''zgur'' sau fiind nglobate n ea.

Desulfurarea oelului prin injectarea materialelor pulverulente

Scopul principal al injectrii materialelor pulverulente care conin calciu n oelul lichid l constituie diminuarea avansat a coninutului de sulf, agenii de desulfurare fiind compui sau aliaje care conin acest element, utilizai fie singuri, fie n amestecuri pulverulente de tipul: CaSi, CaF2, CaCN2, CaC2 - CaC2, CaO - CaF2, CaO - Al2O3, etc.

Reacia clasic de desulfurare sub zguri bazice coninnd CaO poate fi scris conform ecuaiei [102, 104]:

(CaO) + [S] = (CaS) + [O]; log KS = - 5560/T + 1,46, (2.102)

a crei constant de echilibru:

, (2.103)

arat dependena termodinamic a procesului de temperatur i bazicitatea zgurii utilizate.

n procesul de desulfurare zgurile capabile s recepioneze sulful din baia metalic sunt caracterizate cu ajutorul mrimii CS', denumit "capacitate de desulfurare", care depinde de compoziia zgurii (i ntr-o oarecare msur, de temperatur ), fiind exprimat prin relaia:

,

(2.104)

iar raportul de repartiie al sulfului ntre zgur i baia metalic de:

.

(2.105)

Din analiza acestor relaii specifice procesului de desulfurare reiese faptul c valoarea capacitii de desulfurarea a zgurilor crete cu a(CaO), respectiv a(O2-) i scade cu a(SiO2), aceasta din urm, datorit reaciei silicei cu (CaO) din zgur.

Pentru procesul de injectare a materialelor pulverulente, condiiile impuse n vederea obinerii unei desulfurri avansate care s satisfac cerinele impuse unui oel de nalt puritate sunt urmtoarele:

efectuarea dezoxidrii bii metalice nainte de tratamentul prin injecie, pentru a limita consumul de calciu n reacia de dezoxidare i pentru a crea condiiile termodinamice necesare procesului;

utilizarea unor cptueli refractare bazice (magnezit, dolomit) n recipientul de tratament metalurgic, pentru a limita la maximum posibilitatea creterii coninutului de (SiO2) al zgurii prin reducere dintr-un material refractar de alt tip (silicios sau silico aluminos);

folosirea unor zguri bazice cu valori mari ale a(CaO).

Gradul de desulfurare este influenat n mod deosebit de natura cptuelii refractare a oalei de turnare, rezultatele cele mai bune obinndu-se n recipieni metalurgici cu cptueal dolomitic.

Procesul de desulfurare se desfoar pn la atingerea unui echilibru zgur baie metalic, timpul necesar pentru atingerea acestui echilibru micorndu-se n cazul n care turbulena bii metalice este mrit, prin creterea debitului de gaz insuflat, pn la valori permise de procedeu. Astfel, combinarea procedeului de injectare cu barbotarea cu argon a oelului lichid poate permite realizarea unor grade de desulfurare mai ridicate.

Dezoxidarea oelului lichid prin injectarea materialelor pulverulente

Procesul de rafinare prin injecie permite scderea att a coninutului de oxigen dizolvat n baia metalic [O] ct i a coninutului de oxigen total [O]t, mbuntindu-se prin aceasta puritatea oelului [100, 108, 109].

Dezoxidarea oelului prin injectarea materialelor pulverulente este un proces tipic de dezoxidare prin precipitare, cu unul sau mai muli dezoxidani, cu caracteristicile sale specifice, termenul "dezoxidare" incluznd att micorarea nivelului coninutului de oxigen dizolvat n oel ct i eliminarea produilor oxidici de reacie din baia metalic i decantarea lor n zgur.

Procesul de dezoxidare, prin complexitatea sa, poate fi descompus din punct de vedere cinetic n mai multe etape succesive:

dizolvarea dezoxidantului n baia metalic;

germinarea produilor de dezoxidare;

decantarea i eliminarea produilor de dezoxidare primar din baia metalic.

n funcie de natura dezoxidantului utilizat, de compoziia i proprietile fizico-chimice ale bii metalice i ale zgurii, de temperatur i de condiiile de lucru, etapele menionate se produc cu viteze diferite, cunoaterea din punct de vedere cinetic a etapei celei mai lente - determinante de vitez, permind crearea unor condiii favorabile, de accelerare a procesului de ndeprtare a incluziunilor oxidice din baia metalic.

La injectarea unor materiale pulverulente specifice n oelul lichid, procesul de dezoxidare prin precipitare ntrunete condiii optime de desfurare, potenial realizabile prin natura i granulaia dezoxidanilor utilizai i gradul de agitare al topiturii metalice.

Reacia chimic de dezoxidare cu un element Me este de tipul:

m[%Me]Fe + n[%O]Fe = [MemOn],

(2.107)

a crei constant de echilibru pentru o temperatur dat este:

.

(2.108)

Utilizarea unor combinaii de materiale pulverulente n procesul de injecie crete capacitatea de dezoxidare. Micorarea coninutului de oxigen al bii metalice se face n cazul aplicrii procedeului metalurgic de injecie, prin introducerea n baia metalic a unor materiale pulverulente ale cror elemente componente prezint afinitate pentru oxigen mai mare dect a fierului.

Pot fi remarcate din literatura de specialitate metalurgic urmtoarele combinaii de materiale pulverulente cu eficien maxim n procesul de dezoxidare [17, 100]:

amestecuri CaO - CaF2, care au permis obinerea unor coninuturi sczute i constante de oxigen dizolvat [O], indiferent de coninuturile iniiale ale acestuia n topitura metalurgic;

amestecuri CaO - CaF2 - Al2O3 (fluxuri), obinute n prealabil prin topire i pulbere de SiCa. Rezultatele metalurgice sunt mai favorabile n cazul injectrii fluxurilor, obinndu-se valori ale coninutului de oxigen de 20 - 35 ppm, fa de 25 - 45 ppm n cazul injeciei simple de SiCa.

Acest lucru poate fi explicat prin faptul c, din punct de vedere termodinamic o cptueal refractar de tip acid este mai instabil, adic sub influena unui potenial de oxigen mai ridicat, fapt care conduce la aprovizionarea bii metalice cu oxigen prin reducerea materialului silicios din cptueal cu elemente constitutive ale bii metalice.

COMPORTAREA INCLUZIUNILOR NEMETALICE LA injectarea materialelor pulverulente N OELUL LICHID

n procesul de injectare a materialelor pulverulente, mecanismul predominant al eliminrii produilor oxidici rezultai n urma reaciilor fizico chimice este flotaia. Bulele de gaz fin dispersate n zona pan gaz - lichid au un potenial ridicat de flotaie a incluziunilor nemetalice, fenomen care poate explica eliminarea a pn la 60 % din coninutul total de oxigen. Dup un anumit timp, acesta atinge un nivel de echilibru care este dat de diferena dintre vitezele de eliminare i de reoxidare (viteza de eliminare mare i viteza de reoxidare mic).

Astfel, modificarea morfologiei incluziunilor dup tratamentul cu compui pe baz de calciu const n principal, n dispariia ngrmdirilor de incluziuni de Al2O3 i transformarea lor n aluminai de calciu, cu dimensiuni reduse (< 20 (m), de form globular i uniform distribuii n masa metalic, atunci cnd insuflarea are loc la adncime mare. Uneori, aceti aluminai de calciu sunt nconjurai de un inel de CaS. Modificarea compoziiei i morfologiei incluziunilor nemetalice la injectarea pulberilor care conin calciu este prezentat sintetic n fig. 2.59. Gradul de transformare a incluziunilor depinde de modul de lucru i de cantitatea de pulbere injectat n baia metalic. Astfel, dup insuflarea de SiCa la adncime mic a bii, incluziunile se difereniaz n funcie de cantitatea de SiCa injectat:

la un consum de 0,6 kg SiCa / t oel, majoritatea incluziunilor este constituit din aluminai de calciu globulari, dar n baia metalic se mai menin i aglomerri de alumin i sulfuri de mangan rare, de form alungit;

la un consum de 0,9 1,5 kg SiCa / t oel, incluziunile sunt formate din aluminai de calciu globulari, nconjurai de un inel da CaS.

Un aspect deosebit de important este reprezentat de absena n oelul solidificat a incluziunilor liniare de MnS, care se datoreaz posibilitii crescnde de a dizolva cantiti mari de sulf, a incluziunilor de CaO Al2O3, evitndu-se astfel, formarea MnS izolate n cursul solidificrii.

Eliminarea din structur a incluziunilor liniare de MnS i a aglomerrilor de Al2O3 deformabile, conduce la ameliorarea izotropiei oelului i a caracteristicilor mecanice n sens transversal.

Fig. 2.46. Echilibrul reaciilor de Fig. 2.47. Echilibrul reaciilor de dezoxidare pentru diferite elementedesulfurare pentru diferite elemente

dizolvate n fier dizolvate n fierdizolvate n fier dizolvate n fier

lichid la 1600 (C. lichid la 1600 (C.

Fig. 2.40. Mecanismul contactului particul de material pulverulent - baie metalic.

Fig. 2.41. Schema ptrunderii particulei de pulbere n baia metalic.

Fig. 2.31. Reprezentarea schematic a zonelor create n oelul lichid din oal la injectarea materialelor pulverulente.

I - zona jetului; II - zona pan trifazic gaz lichid material pulverulent; III - zona jetului de suprafa i de penetrare a stratului superficial al bii de ctre bulele de gaz; IV - zona de ntoarcere a curenilor de convecie.

1 - oala de turnare; 2 - sertar; 3 - dop poros; 4 - oel lichid; 5 - lance; 6 - capac; 7 - zgur; 8 - bule de gaz; 9 - particule; 10 - faz gazoas.

Fig. 2.30. Schema de principiu a unei instalaii de injectare a materialelor pulverulente n oelul lichid:

1 recipient rezervor; 2 sistem de dozare; 3 - coloan de susinere i deplasare pe vertical a sistemului de injectare; 4 recipient de fluidizare; 5 lnci de injecie; 6 braul port lance; 7 sistem de susinere a lncilor 8 - capac cptuit cu material refractar; 9 oel lichid; 10 - oala de tratament metalurgic.

Fig. 2.50. Mecanismul rafinrii prin injecie cu compui pe baz de calciu:

1 - oal de turnare; 2 - lance; 3 - baie metalic; 4 - zgura; pa - presiunea atmosferic; pt - presiunea total; (Fe - greutatea specific a bii metalice; ho - adncimea de imersie a lncii.

Modificarea compoziiei i morfologiei incluziunilor nemetalice prin injecia oelului lichid cu materiale pulverulente care conin calciu.

_1014887605.unknown

_1014887615.unknown

_1014888371.unknown

_1014887073.unknown