Аналітичне дослідження кінетики модифікації неметалевих включень в процесі обробки розплаву сталі кальцієм

Анотація

У цьому дослідженні показано, що сталі, які були розкислені алюмінієм та містять у своєму складі розчинену сірку, під час обробки кальцієм утворюють твердий сульфід кальцію, при цьому СаО буде присутній у вигляді алюмінатів кальцію, з відповідною зміною складу в залежності від температури. З’ясовано, що для кожної стадії реакцій перетворення алюмінатів кальцію рівноважні концентрації продуктів реакції будуть мати стале значення за умови сталості коефіцієнтів активності сірки та алюмінію відповідно. В дослідженні наведено зміну рівноважних продуктів реакції в результаті перебігу хімічного процесу та встановлено, що на останніх стадіях процесу підвищується активність СаО та знижується активність Al₂O₃. В процесі досліджень було встановлено кінетичну модель перебігу гетерогенного процесу модифікування розплаву сталі кальцієм. У наших дослідженнях встановлено, що механізм розчинення кальцію у рідкій сталі проходить крізь утворення проміжної сполуки. Визначено оптимальну концентрацію кальцію у межах 1 ppm, що буде інгібітором процесу утворення CaS-Al₂O₃. Показано, що лімітуючою стадією процесу буде транспортування Al та S від включень у об’єм рідкої сталі. В роботі показано, що для підтвердження аналітичного аналізу та перевірки стадії, що лімітує процес, а саме реакція CaS-Al₂O₃, за рахунок розчиненого Са у якості проміжної сполуки, полягає у розрахунку швидкості перетворення включень. Наведено, що концентрації розчинених алюмінію та сірки, що перебувають у рівновазі з включеннями, дуже малі, а загальний час, що необхідний для модифікації включень, у багато разів перевищував рівноважні концентрації. Для врахування цих умов нами було створено кінетичну модель для оцінки часу, що дозволила визначити стадію, що лімітує швидкість загального процесу модифікування включень. Для визначення і розрахунків рівноважних умов співіснування двох фаз у наших дослідженнях було використано термодинамічний пакет програм FactSage 8.3. З використанням термодинамічних розрахунків встановлено час, необхідний для перетворення включень глинозема у основні рідкі оксидні включення. В дослідженнях показано, що реакція модифікації включень напряму залежить від ступеня витрати твердого CaS. Для кожної стадії реакції перетворення включень швидкість має стале значення, що підтверджується сталою швидкістю видалення CaS. В результаті проведених досліджень та термодинамічних розрахунків встановлено, що гетерогенний процес модифікації включень перебігає у дифузійній області і контролюється масопереносом. Час модифікації лінійно зростає зі зростанням вмісту кисню та зменшується зі зростанням вмісту кальцію у розплаві сталі. Доведено, що на заключній стадії модифікації включень необхідно в шість разів більше часу, ніж на ранніх стадіях процесу модифікування