Влияние кремния на процесс образования плавильной пыли

По международным стандартам пыль, имеющая размер частиц менее 10 мкм, не зависимо от химического состава, является высокотоксичной, так как глубоко проникает в дыхательные пути человека, приводя к их заболеванию. Практика показывает, что удельное образование пыли (на тонну металла) при операциях с жидким чугуном на наших предприятиях от 3 до 10 раз о выше, чем на сталелитейных фирмах стран ЕС [1]. Определение причин подобного превышения позволит не только технологическим путем сократить образование плавильной пыли, но и значительно сократить угар металла.

В данной работе дан анализ известных механизмов образования плавильной пыли и, на основе дистилляционного механизма ее образования, показано, что решающим фактором в этом процессе является содержание окисляемых примесей в металле и в первую очередь – присутствие в нем кремния.

Механизм образования плавильной пыли до конца еще не ясен. Спорным считается вопрос о том, какой из процессов: окисление, диспергирование или испарение металла является главной причиной образования плавильной пыли.

Явойский В.И. с сотрудниками [1], проведя серию экспериментов, пришли к выводу, что плавильная пыль, образующаяся при переливах и рафинировании чугуна, является следствием испарения железа так и его оксидов. Причем главенствующую роль в этом процессе играет процесс испарения оксида железа Fe3O4, который появляется на поверхности жидкого металла при контакте последнего с кислородом. По данным А.Г. Свяжина, скорость испарения железа с поверхности расплава чугуна, покрытой окисной пленкой, примерно в 5 раз выше, чем с поверхности чистого железа и мало зависит от состава окислителя и скорости потока газа над металлом. Кроме того, им установлено, что процесс испарения железа имеет место и в инертном газе, причем скорость этого процесса резко увеличивается при повышении температуры металла и монотонно падает при увеличении в нем содержания углерода.

Теория образования плавильной пыли, как следствие разбрызгивания металла, впервые была сформулирована в работах Беккера Л. и Варда, которые считали, что пылеобразование происходит вследствие распыления жидкого металла, вызванного взрывом капель или выделением пузырей оксида углерода [2]. С этим мнением согласны исследователи, изучавшие процессы пылеобразования при переливах чугуна [3, 4]. Основываясь на том, что с поверхности спокойного зеркала металла выбросы пыли практически отсутствуют, а также при медленных переливах чугуна с небольшой высоты они малы, исследователи пришли к заключению, что наличие брызг металла является условием образования бурого дыма. Другим условием, протекания этого процесса, по их мнению, является наличие кислорода над расплавом.

Исследователи, занимавшиеся изучением процесса пылеобразования при проведении конвертерной плавки, установив зависимость процесса пылеобразования от скорости обезуглероживания металла, утверждают, что основной причиной пылеобразования в металлургическом процессе является диспергация металла в результате разрыва выходящих из его толщи газовых пузырей [5]. А.Г. Свяжин, не отрицая возможности диспергационного механизма образования плавильной пыли в начальный период конвертерной плавки, считает, что высокодисперсная пыли образующаяся в основной период плавки, не может быть результатом брызгообразования, а, по всей видимости, образуется при испарении железа как с поверхности капель, так и с поверхности железного расплава [6].

Комбинированный механизм образования плавильной пыли при продувке чугуна кислородом в конвертерной печи развит в работах В.И. Бабтизманского [7]. По мнению этого ученого, пылеобразование при продувке металла окислительным газом обусловлено испарением металла и его оксида реакционной зоне, а также образованием капель и распылением металла под воздействием потока окиси углерода, выделяющегося в ходе продувки. Снижает выбросы пыли понижение температуры поверхности реакционной зоны, наличие слоя шлака на поверхности металла, через который фильтруется запыленный газовый поток, а также уменьшение брызгообразования.

Если исходить из данной точки зрения, плавильная пыль является продуктом дистилляции металла, который происходит над поверхностью металла и зависит от величины этой поверхности. Процесс дистилляции состоит из двух процессов: процесса испарения и конденсации жидкости. Он протекает в несколько этапов. Вначале испаряющееся вещество диффундирует к границе раздела фаз металл-газ, затем, испаряясь, переходит в газовую фазу, а пары металла конденсируются с последующим затвердеванием в низкотемпературной области. При наличии в газе реакционного компонента ее пары вступают с ним во взаимодействие.