ALIMENTAREA BAII METALICE CU OXIGEN

Alimentarea baii metalice cu oxigen reprezinta un proces de o importanta deosebita la elaborarea otelului, acesta conditionand toate procesele de oxidare.

Trecerea oxigenului din faza gazoaza in zgura si din zgura in baia metalica este data de faptul ca potentialul de oxigen al fazei gazoase este mai mare decat al baii metalice, determinand astfel procesul de difuzie a oxigenului catre baia metalica. Transferul oxigenului in interiorul zgurii si al baii metalice este asigurat, obligatoriu, de catre oxizii de fier.

Practic, diferenta dintre concentratia oxigenului din atmosfera gazoasa a cuptoarelor pentru elaborarea otelului (3 - 5 % O₂) si din baia metalica (0,04 - 0,06 %), determina trecerea oxigenului in baia metalica prin intermediul zgurii.

Procesul de alimentare a baii metalice cu oxigen prin intermediul zgurii prezentat in fig. 1a, adica trecerea oxigenului din atmosfera (faza gazoasa) in baia metalica, cuprinde urmatoarele etape:

a.      trecerea oxigenului din atmosfera in zgura;

b.     trecerea oxigenului din zgura in baia metalica.

a. La contactul cu zgura lichida, moleculele de oxigen care se deplaseaza in atmosfera agregatului prin difuziune si convectie se ciocnesc de aceasta si, datorita temperaturii ridicate, disociaza in atomi:

< >

Atomii rezultati din disociere sunt adsorbiti separat in zgura, reactia intensificandu-se cu cresterea temperaturii si intensitatea ciocnirilor:

1/2 < > (O) ad.

La interfata - (zgura) are loc deci, reactia:

2 (FeO) +1/2 = (Fe₂O₃).

(Fe₂O₃) rezultat la interfata - (zgura) difuzeaza in interiorul zgurii spre interfata (zgura) - [baie metalica].

La interfata (zgura) - [baie metalica] se desfasoara reactia:

(Fe₂O₃) + [Fe] = 3 (FeO);

In interiorul baii metalice are loc difuzia (FeO) rezultat, conform reactiei:

(FeO) = [Fe] + [O].

	Fig.1. Schema trecerii oxigenului din faza gazoasa in baia metalica. a - din punct de vedere molecular; b - din punct de vedere ionic.

Deci, oxidul feric format la suprafata interfazica - (zgura) difuzeaza prin stratul de zgura si reactioneaza cu fierul lichid la suprafata interfazica (zgura) - [baie metalica], unde este redus la (FeO). Acesta fiind solubil si in baia metalica, se repartizeaza intre cele doua faze, conform raportului de repartitie L_FeO, care depinde de temperatura sistemului:

Oxidul feros ramas in zgura difuzeaza prin aceasta si, ajungand la suprafata de separatie cu faza gazoasa, se oxideaza la Fe₂O₃, iar ciclul continua. Oxidul feros difuzat in baia de otel participa la reactiile de oxidare a elementelor insotitoare.

Din punct de vedere electrochimic, trecerea oxigenului in baia metalica prin intermediul unei zguri bazice formata din ioni de Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, O^2-, SiO₄^4- etc., are loc conform schemei din fig. 1 b.

Ajungand in baia metalica, anionii de oxigen isi cedeaza electronii suplimentari conform relatiei:

(O^2-) [O] + 2 e   

Ca urmare, zgura avand un plus de sarcini pozitive, la suprafata interfazica zgura - baie metalica se va forma un strat electric dublu e, care va impiedica trecerea in continuare a anionului de oxigen. Pentru a se mentine posibilitatea acestei treceri, este necesar ca odata cu cationul O^2- sa treaca in baia metalica si un numar echivalent de electroni conform relatiei:

(Fe²⁺) + 2 e = [Fe].

Insumand cele doua procese, trecerea oxigenului din zgura in baia de otel se poate exprima prin relatia:

(Fe²⁺) + (O^2-) = [Fe] + [O].

Viteza de difuziune a oxigenului prin zgura este determinata de concentratia oxigenului in atmosfera cuptorului, compozitia chimica si temperatura zgurii.

In zgurile acide cu o structura mai complexa, deci cu o viscozitate mai mare, viteza de difuziune a oxigenului este mai mica decat in zgurile bazice. Din aceasta cauza, in cuptoarele acide vitezele reactiilor de oxidare sunt mult mai mici decat la cele bazice.

Regimul de suflare a oxigenului

Procesul metalurgic din convertizorul LD si implicit, alimentarea baii metalice cu oxigen depinde intr-o masura insemnata de regimul de suflare a oxigenului. Principalii parametri ai suflarii oxigenului sunt presiunea de insuflare si inaltimea de insuflare, considerata fata de suprafata statica a baii metalice. Acesti doi parametri variaza in cursul procesului de elaborare corespunzator necesitatilor tehnologice.

La iesirea din ajutajul (capul) lancii cu diametrul d a oxigenului, avand viteza de iesire V_e, se formeaza un jet conic, tot mai larg, pe masura ce creste distanta h_o de la ajutaj (fig. 2).

Viteza de la centrul jetului V_c se pastreaza egala cu viteza de iesire V_e pe o distanta egala cu de 4 - 5 ori diametrul ajutajului, dupa care se micsoreaza progresiv in functie de distanta h si de diametrul ajutajului d, conform relatiei:

,

in care coeficientul t exprima gradul de turbulenta a jetului.

Jetul de oxigen p[trunde prin zgura, izbeste suprafata baii metalice si, datorita energiei posedate, creaza in aceasta o depresiune (amprenta) cu adancimea a.

Fig. 2. Evolutia jetului liber de oxigen: Ve - viteza la iesirea din ajutaj; d - diametrul ajutajului; r - raza jetului ; ho - inaltimea de suflare; hb - inaltimea baii metalice.

La fundul acestei amprente se stabileste un echilibru intre presiunea dinamica a jetului de oxigen si presiunea statica a otelului, conform relatiei:

,

in care: g_j si     g_o reprezinta densitatea jetului de oxigen si respectiv a otelului;

g - acceleratia gravitationala.

Din relatiile anterioare rezulta formula dupa care se poate calcula adancimea patrunderii jetului de oxigen in baia metalica linistita si anume:

.

Rezulta faptul ca adancimea patrunderii jetului de oxigen in baia metalica linistita este cu atat mai mare cu cat distanta de la ajutajul lancii este mai mica si presiunea oxigenului (de care depinde viteza de iesire V_e) este mai mare. Dar, V_ecreste cu cresterea debitului de oxigen insuflat, respectiv cu cresterea presiunii de insuflare a oxigenului p_o.

Deci, pentru a mari adancimea de patrundere a jetului de oxigen in baia metalica linistita este necesar sa se sufle la presiuni mai mari si de la inaltimi mai mici ale lancii. Cand, dimpotriva, este necesar ca oxigenul sa nu patrunda in baia metalica linistita, se sufla de la inaltimi mai mari ale lancii si cu presiune mai mica. Acesti doi factori, inaltimea de suflare si presiunea oxigenului sunt, prin urmare, mijloace puternice de influentare a desfasurarii proceselor fizico-chimice din convertizor, la care se apeleaza de multe ori in decursul sarjei.

Corelarea parametrilor p_o si h_o determina forma suprafetei de impact. Astfel, sufland cu presiune mare (10 - 18 atm), adica debit mare (q_o 10 m³_N / min t) si cu h_o mic ( 0,6 m), valoarea a este mare si ingusta, jetul este intors violent, dand nastere la miscari turbionare si improscari de topitura in afara convertizorului.

La cresterea h_o ( 1,5 - 1,6 m) si micsorand p_o (7 - 10 atm), adica (q_o = 2 - 4 m³_N / min t), valoarea adancimii amprentei este mica si diametrul ei este mare. Agitatia in acest caz este slaba, dar baia metalica se oxideaza puternic, iar Σ (Fe) creste.

Formula calculului adancimii amprentei permite, in acelasi timp, sa se aprecieze avantajul folosirii lancilor cu mai multe duze. Atunci cand oxigenul se sufla prin mai multe duze, acelasi debit de oxigen poate forma mai multe jeturi cu aceeasi viteza de iesire din ajutaje, singura deosebire fiind la diametrul ajutajelor (mult mai mic), ceea ce determina o adancime mai mica de patrundere a oxigenului in baia metalica linistita. Pentru a avea aceeasi valoare a adancimii de patrundere, este necesara marirea vitezei de iesire V_e, adica a debitului oxigenului, intensificand prin urmare, procesul de elaborare a sarjei si marind productivitatea conzertizoarelor.

Rezulta de aici, avantajele utilizarii lancii cu mai multe orificii:

barbotarea baii este mai puternica, intensificandu-se de asemenea, reactiile de oxidare, prin aceasta scazand durata de insuflare;

energia cinetica a jeturilor de oxigen determina o miscare mai satisfacatoare a gazelor in convertizor, continut mai mare de CO₂ si functionare mai intensiva. Se poate utiliza astfel, mai bine caldura rezultata din arderea CO, deci se poate mari proportia de fier vechi in incarcatura convertizorului cu 2 - 3 %;

se reduce cantitatea de stropi, deci pierderile cu gazele evacuate (pierderile la cos) si ca lipituri la gura convertizorului, ceea ce inseamna cresterea scoaterii de otel.

Dezavantajul este acela ca, la nivelul suprafetei de contact dintre baia metalica si zgura creste puternic uzura captuselii. Totodata se constata si o durabilitate mai mica a capului de lance datorita adancimii mai mici de injectare a oxigenului.

Interactiunea dintre jetul de oxigen si baia metalica din convertizor este mult mai complexa. Astfel, s-a constatat ca jetul de oxigen nu se scurge lin din ajutajul lancii, ci cu numeroase pulsatii datorate comprimarii si dilatarii periodice. Pulsatiile jetului de oxigen se transmit in mare masura baii metalice, determinand marirea si micsorarea periodica a adancimii de patrundere a oxigenului in baia metalica, urmata de marirea si micsorarea periodica a suprafetei de contact dintre oxigen si baia metalica, deci a vitezelor de oxidare a elementelor insotitoare si in primul rand a carbonului. Rezulta, ca urmare, o degajare neuniforma cu un zgomot caracteristic a gazelor arse din convertizor si se creeaza posibilitatea aruncarii de stropi de otel si zgura in exteriorul convertizorului, fenomene ce se observa in tot timpul elaborarii otelului in aceste agregate.

In al doilea rand, s-a constatat ca baia metalica nu este linistita decat foarte scurt timp la inceputul suflarii oxigenului. Indata ce oxigenul patrunde in baia metalica, aceasta incepe sa se agita datorita actiunii mecanice a jetului de oxigen, care da nastere la miscari, curenti si stropi de otel si zgura, cu atat mai puternici cu cat presiunea oxigenului si adancimea de patrundere in baia metalica sunt mai mari. Cum aceasta variaza periodic in timp, gradul de agitare mecanica a baii metalice este si el variabil in timp.

Lucrul mecanic total de amestecare a baii metalice este o rezultanta a trei factori:

destinderea adiabatica a jetului de oxigen - L_a;

impingerea baii de otel de catre oxigenul care favorizeaza amestecarea - L_i;

destinderea izoterma a bulelor de gaze (CO si N₂) si a volumelor de oxigen la intrarea si iesirea din baie - L_iz.

Calculele, confirmate de practica, arata ca L_iz este de 90 - 100 de ori mai mare decat ceilalti doi termeni, L_a si L_i.

In plus, s-a constatat ca jetului de oxigen nu i se poate atribui decat o mica parte din energia de amestecare a baii metalice, atingand 40 % din totalul energiei numai in primele 2 - 3 minute de la inceperea suflarii oxigenului si in ultimele minute de suflare in cazul elaborarii unor oteluri foarte moi cu continutul de carbon sub 0,10 %. In restul suflarii, jetului de oxigen ii revin abia 10 - 14 % din energia de amestecare a baii metalice. Diferenta dintre partea jetului de oxigen si totalul energiei de amestecare se datoreste efectului produs de formarea si degajarea bulelor de monoxid de carbon rezultate din procesul de decarburare a baii metalice.

Volumul bulelor de monoxid de carbon existente in interiorul baii metalice in cea mai mare parte a perioadei de suflare intrece de cateva ori (4-7) volumul propriu-zis al baii metalice pe care o emulsioneaza, o amesteca cu zgura si o transforma intr-o spuma ce se ridica pana aproape de gura convertizorului, cu mult deasupra capului lancii de oxigen. Prin urmare, in aproape tot timpul suflarii oxigenului, baia metalica se prezinta sub forma unei spume umflate pana aproape de gura convertizorului, in puternica amestecare, pulsand cu aceeasi periodicitate ca si jetul de oxigen si azvarlind numerosi stropi, din care unii in exteriorul agregatului.

Spumarea intensa a baii metalice nu se linisteste decat in momentele opririi suflarii pentru masurarea temperaturii otelului sau pentru adaugarea unor materiale prin gura convertizorului.

Procesele fizico - chimice care se desfasoara in convertizor, determinate de repartitia oxigenului intre (zgura) si [baia metalica] sunt conditionate deci, de parametrii suflarii oxigenului: inaltimea de insuflare si presiunea de insuflare, parametri care variaza in cursul procesului in functie de necesitati.

Astfel, in primele minute ale suflarii oxigenului, procesul dinamic se desfasoara de la inaaltime mare, cu debit mic, favorizand reactiile de oxidare directa cu oxigen. Se oxideaza in primul rand fierul, formand o faza zgura din oxizi ai fierului si alti oxizi ca: FeO, SiO₂, MnO etc. Zgura este raspandita de catre jetul de oxigen spre peretele convertizorului, favorizand procesele de oxidare directa a elementelor. In aceste conditii, se formeaza intens (FeO) si, in primele 2 - 4 min. de la inceperea suflarii oxigenului S (FeO) atinge o valoare maxima. Zgura fierbinte, cu continut ridicat de (FeO) incepe sa dizolve puternic varul, compozitia ei chimica se deplaseaza de la continuturi rdicate de SiO₂ la continuturi crescatoare de CaO (conform sistemului ternar FeO - CaO - SiO₂).

Cu cat zgura dizolva mai mult var si mai rapid, cu atat debitul de oxigen poate sa creasca, spumarea zgurii sa fie mai intensa si deci, procesele de afinare si mai ales, defosforarea sa fie favorizata (consum de var mai scazut).