» » Электрохимическое восстановление ванадия, ниобия, титана и бора из шлака в армко-железо
18.12.2014

В промышленных условиях переплав проводят, как правило, на переменном токе. Повышение качества металла в этом случае достигается за счет струйного или капельного рафинирования через слой флюса.
С повышением развеса электродов, переплавляемых на переменном токе, существенно повышаются индукционные потери и с определенных пределов переплав на постоянном токе становится перспективным. Все это обусловливает необходимость тщательного экспериментального анализа и выяснения влияния природы тока на электрохимические процессы, протекающие при переплаве.
Для того чтобы исключить побочные явления и проследить влияние природы тока на электрохимический характер процессов, протекающих на расходуемом электроде и на поверхности получаемого слитка, электрошлаковый переплав электродов из армко-железа проведен на переменном и постоянном токе прямой и обратной полярностей. Диаметр расходуемых электродов составлял 50 мм. Химический состав переплавляемого металла приведен ниже: С — 0,015 мае. %; Mn — 0,02; Si — 0,01; S — 0,02; P — 0,01 мае. %.
В первой серии опытов вели переплав электродов из армко-железа во флюсе АНФ-6 на переменном и постоянном токе прямой и обратной полярностей. Эти опыты служили эталоном, относительно которого сопоставлялись изменения в параметрах цроцесса, возникающие вследствие изменения заданных условий.
Четыре следующие серии опытов проведены в тех же режимах, что и предыдущие, а именно для трех различных видов тока. Отличие заключалось в том, что в каждую серию шлаков уводилось по 5—10 мас.% окислов одного из легирующих компонентов: V2O5, TiO2, Nb2O5 или B2O3. После переплава проводили химический анализ состава получаемого металла в трех сечениях слитка по высоте и в трех по диаметру. В табл. 16 приведены данные по восстановлению ванадия, ниобия, титана и бора из шлака при переплаве на переменном и постоянном токе.
Как следует из табл. 16, наибольшее восстановление ванадия из флюса в металл происходит в том случае, когда катодом является жидкая ванна, а анодом — расходуемый электрод (обратная полярность). Несколько меньшее содержание ванадия наблюдается в металле при смене полярности, и минимальный эффект имеет место при ведении процесса на переменном токе.
Электрохимическое восстановление ванадия, ниобия, титана и бора из шлака в армко-железо

Для анализа полученных закономерностей необходимо рассмотреть катодные процессы, протекающие на конце расходуемого электрода и в жидкой металлической ванне. В обоих случаях происходит реакция. Однако кинетические условия протекания этой реакции существенно различны. Во-первых, площадь расходуемого электрода в несколько раз меньше, а плотность тока выше, чем у жидкой ванны. Во-вторых, время пребывания расплавленного металла в пленке и на конце электрода составляет доли секунды, в то время как период существования металлической ванны до полного обновления составляет ~80 с. Поэтому если выход по току ванадия отнести к единице поверхности катода, то на расходуемом электроде он будет значительно выше, чем на жидкой ванне, поскольку в первом случае происходит взаимное движение пленки и шлака, которое приводит к постоянному обновлению границы шлак—металл и в какой-то мере снимает диффузионные затруднения переноса ванадия через объем шлака к поверхности электрода.
При переплаве на переменном токе электрохимическое взаимодействие металла и шлака сводится к перезарядке ионов на границе металл—шлак. Разрядившись на катоде в один полупериод, ион анодно окисляется в другой, не успевая диффундировать в металл, однако ванадий переходит в металл почти в такой же степени (см. табл. 16). По-видимому, здесь решающую роль играет поверхность реагирования жидкого металла со шлаком.
На переменном токе происходит вертикальное перемешивание шлаковой ванны. Автор работы приводит уравнение для расчета глубины перемешивания шлаковой ванны:
Электрохимическое восстановление ванадия, ниобия, титана и бора из шлака в армко-железо

где I — ток; g — ускорение свободного падения; η — вязкость шлака и металла; L — диаметр кристаллизатора; A1 — площадь конуса расходуемого электрода; A2 — площадь металлической ванны. Расчет по этой формуле показывает, что глубина перемешивания значительно превышает толщину шлаковой ванны. Интенсивное перемешивание металла устраняет диффузионные затруднения, а площадь взаимодействия металла и шлака существенно возрастает.
Рассмотренные закономерности наблюдаются при восстановлении ниобия, титана и бора. При этом, конечно, накладываются характерные особенности, которые следует учитывать при выборе состава электролита.
Процесс восстановления титана, в частности, осложняется присутствием в шлаке кремнезема, поскольку стандартный электродный потенциал титана более отрицательный, чем у кремния (соответственно —1,56 и 1,416 В). При восстановлении титана в большей степени, чем для других элементов, играют роль «паразитные» процессы перезарядки Ti4+→Ti2+, которые снижают общий выход по току.
При восстановлении бора наибольший выход по току также имел место при переплаве на постоянном токе обратной полярности. Расплав, из которого происходит восстановление бора, может быть представлен сложными боркислородными ионными группировками типа ВО4в5-, ВО3в3- и др. При наложении электрического тока большой плотности бор разряжается на катоде в виде катиона B3+.
Приведенные результаты экспериментально подтверждают, что переплав на постоянном токе позволяет проводить электрохимическое легирование металла из флюса при соответствующем подборе электролита.