14.05.2018

Схема теплового расчета алюминотермических шихт


Рассмотренные выше зависимость температуры алюминотермического расплава от его теплосодержания, а также методы приближенной оценки величины тепловых потерь при различных условиях ведения плавки и теплового эффекта сопутствующих процессов позволяют наметить схему теплового расчета алюминотермических шихт.

Задачей такого расчета является определение минимально необходимого количества тепла bH'необх, которое обеспечивало бы самопроизвольное протекание рассматриваемого алюминотермического процесса с разделением металла и шлака, т. е. было бы достаточным для получения необходимых скоростей восстановительных реакций, компенсации тепловых потерь, расплавления образующихся продуктов реакции и нагрева расплава до температуры, обеспечивающей его жидкоподвижность в течение всего времени, которое требуется для процесса формированияметаллическогослитка.

Выше было показано, что зависимость между температурой расплава и удельной теплотой процесса при наличии тепловых потерь выражается уравнением (185), которое можно представить в следующем виде:
Порядок определения величин К, С и qn был рассмотрен ранее. Для расчета bH'необх требуется также определить температуру расплава, обеспечивающую нормальное протекание процесса. Факторы, определяющие выбор температуры алюминотермического расплава в момент окончания восстановительных реакций, сводятся в основном к следующему.

1. Величина Tp определяется в первую очередь температурой ликвидуса алюминотермического шлака, так как для успешного разделения металлической и шлаковой фаз и формирования плотного слитка на подине плавильного горна необходим перегрев продуктов реакции выше точки их плавления, а для большинства алюминотермических процессов температура плавления шлака превышает температуру плавления металла.
Однако для нормального разделения металла и шлака требуется не только перегрев шлакового расплава выше температуры ликвидуса, но и определенная его вязкость, обеспечивающая достаточно полное осаждение металла на подину плавильной ванны. Сравнение величин вязкости, соответствующих температуре ликвидуса, для шлаков, близких по составу к алюминотермическим, показало, что температура ликвидуса не обусловливает вязкость шлака, требуемую в технологическом процессе. Поэтому введено понятие условной «температуры плавкости», выше которой шлак имеет достаточную текучесть.

На рис. 93 приведена температурная зависимость вязкости шлака промышленной плавки ферротитана, из которой следует, что минимальная температура Tmin, обеспечивающая нормальное разделение металлической и шлаковой фаз (n = -0,5 Па*с) составляет —2020 К. Как показано выше, осаждение металла заканчивается через 5—10 мин после окончания проплавления шихты промышленной плавки, поэтому общее время, в течение которого шлаковый расплав должен иметь температуру, превышающую величину Tmin (с учетом времени хода плавки), составляет для промышленных процессов 20—25 мин. Скорость охлаждения расплавленного шлака может быть принята равной около 10 град/мин, поэтому в момент окончания восстановительных реакций расплав должен быть перегрет примерно на 200—250° выше величины Tmin.

Таким образом, для рассматриваемого примера выплавки ферротитана величина Tp должна быть принята на уровне —2270 К, что хорошо согласуется с экспериментально установленным оптимальным температурным режимом промышленной плавки ферротитана. Рассмотренные выше соображения позволяют полагать, что принимаемая для расчета необходимой теплоты процесса Tp должна удовлетворять соотношению
2. При производстве некоторых тугоплавких сплавов или при проведении плавки с применением в шихте большого количества флюсов температура плавления металла может оказаться выше температуры кристаллизации шлака. В этих процессах условие
также оказывается недостаточным для формирования плотного слитка в связи с тем, что при температурах процесса, близких к температуре плавления металла, слиток содержит большое количество газовых и шлаковых включений. Для устранения этого недостатка необходим значительный перегрев жидкого металла (например, при выплавке металлического хрома и некоторых других тугоплавких сплавов металл должен быть перегрет не меньше чем на 200° выше температуры плавления), обеспечивающий удаление газов и неметаллических включений. Это позволяет рекомендовать для случая
следующее соотношение:
3. Исходя из уравнения Н.М. Мурача и У.Д. Верятина
(здесь Q — теплота начала алюминотермического процесса, отнесенная к 1 кг реагирующего материала и шлаковых присадок, кДж/кг; АН — теплота образования окисла, кДж/моль O2), можно прийти к заключению, что самопроизвольное распространение алюминотермических реакций по объему шихты возможно лишь в том случае, если температура плавления окисла не превышает температуру расплава, получаемого в результате протекания процесса. Для значительной группы окислов, в том числе и для большинства окислов, восстанавливаемых методами алюминотермии, между теплотой образования окисла и температурой его плавления существует зависимость (табл. 55), которую можно выразить уравнением
Решая совместно (212) и (213), получим
где Q' — удельная теплота начала алюминотермического процесса, отнесенная к 1 кг шихты, кДж/кг.

Анализ уравнения (214) показывает, что температура процесса, соответствующая величине Q', оказывается больше, чем значение Тпл.ок. Уравнение (214) характеризует лишь температуру начала самопроизвольной внепечной реакции с образованием металлических включений заметной величины; аналогичная зависимость между температурой плавления окислов шихты и удельной теплотой процесса проявляется и при проведении промышленной плавки.
Следует иметь в виду, что уравнение (214) может лишь качественно характеризовать зависимость lgQ' (Тпл.ок) в связи с приближенностью формулы (212).

Необходимость превышения температуры процесса над температурой плавления восстанавливаемого окисла была установлена также В.А. Боголюбовым. Это обстоятельство, видимо, связано прежде всего с тем, что получение высоких скоростей процесса, необходимых для нормального протекания внепечного восстановления, при температурах меньших, чем температуры плавления восстанавливаемого окисла, затруднительно из-за малых скоростей диффузии в твердых фазах. Таким образом, в качестве третьего условия можно записать
Следовательно, для нормального протекания алюминотермического процесса температура получаемого расплава должна превышать как температуру плавления восстанавливаемого окисла, так и температуру кристаллизации металла и шлака. Температура, принятая исходя из указанных выше условий, должна быть минимально возможной, так как повышение температуры алюминотермического процесса связано с дополнительными затратами и кроме того, высокая температура может привести к повышенному испарению элементов во время плавки.

Для определения количества тепла, которое следует восполнить для эффективного проведения плавки (или избытка тепла для процессов, в которых количество тепла экзотермических реакций превышает эту величину), необходимо удельную теплоту процесса (bH'необх), определяемую по уравнению (207), сравнить с удельной теплотой (bH'расч) при протекании алюминотермического восстановления.

Количество тепла, выделяющееся в ходе экзотермических реакций, рассчитывается на основании теплового эффекта восстановления окислов металлов алюминием с учетом коэффициентов извлечения, определяемых из материального баланса плавки. Разработанный В.А. Боголюбовым приближенный метод составления материального баланса плавки позволяет с необходимой для практических целей точностью оценить количество металла, остающегося в шлаке в виде корольков, а следовательно, более точно определить тепловой эффект алюминотермического восстановления.

При проведении практических расчетов тепловой эффект реакций более удобно относить не к 1 г-атому, а к 1 кг расплава (или к 1 кг шихты при отсутствии в ней летучих компонентов). Хотя теплоемкости и другие физико-химические характеристики для различных алюминотермических процессов значительно ближе между собой при отнесении их к 1 г-атому, чем удельные величины, однако, как показано выше, и в последнем случае нельзя получить единой зависимости Tр(bH'), дающей необходимую точность расчета.

При использовании теплового эффекта, отнесенного к 1 кг, значения С остаются теми же, что и для уравнения (167); величины углового коэффициента К приведены в табл. 56.
Таким образом, основными этапами теплового расчета алюминотермических шихт являются:

1) определение необходимой температуры расплава, получаемой в результате протекания процесса;

2) определение количества тепла, требуемого для получения принятой температуры расплава с учетом компенсации тепловых потерь;

3) определение количества тепла, фактически образующегося при протекании экзотермических реакций алюминотермического восстановления (с учетом возможного образования соединений в металлической и шлаковой фазах);

4) определение количества тепла, которое необходимо восполнить для эффективного проведения плавки (или избытка тепла в тех случаях, когда тепло экзотермических реакций превышает необходимое).





Яндекс.Метрика