» » Электрохимическое легирование и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве
18.12.2014

Легирование чугуна ванадием. Электрохимическое легирование чугуна ванадием осуществлено при переплаве под шлаками системы плавиковый шпат—пятиокись ванадия. В наибольшей степени восстановление ванадия из шлака в металл происходит при переплаве на постоянном токе обратной полярности, когда катодом служит ванна жидкого чугуна, несколько меньше — при прямой полярности и еще меньше — при переплаве на переменном токе (рис. 34). Концентрация ванадия в чугуне увеличивается с повышением содержания его в шлаке независимо от рода и полярности тока. Распределение ванадия по высоте и сечению слитка приведено на рис. 35 и 36.
Поскольку стандартный электродный потенциал для ванадия ниже, чем для кремния и кальция, то основным катодным процессом в данном случае является разряд катионов ванадия:
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

Компенсирующим анодным процессом на конусе электрода будет окисление Fe, Si, Mn, С из металла.
При переплаве на постоянном токе прямой полярности осаждение ванадия происходит в жидкую металлическую пленку на конусе электрода, которая имеет площадь контакта со шлаком меньшую, чем при обратной полярности. В этом случае получает развитие и обратный процесс окисления ванадия на границе металлическая ванна—шлак. При переплаве на переменном токе электрохимическое взаимодействие сводится к перезарядке ионов на границе металл — шлак. Катионы V3+, разрядившись на катоде в один полупериод, не успевают диффундировать в металл, анодно окисляются в другой полупериод. Тем не менее некоторое количество ванадия переходит из шлака в металл благодаря химическому взаимодействию чугуна со шлаком.
Расчет баланса ванадия, проведенный по разнице количества его в шлаке до и после переплава, свидетельствует о существенных потерях элемента, которые зависят от рода и полярности тока. Наибольшие потери наблюдаются при переменном токе, минимальные — на постоянном токе обратной полярности (рис. 37). Они обусловлены протеканием обменных реакций
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

что подтверждено минералогическим анализом шлаков.
Свойства чугуна после электрошлакового переплава под флюсом CaF2—V2O5 приведены в табл. 17. При переплаве происходит рафинирование чугуна по сере. В исходном чугуне концентрация серы составляет 0,076 мас. %. Наибольшая десульфурация происходит при переплаве на постоянном токе обратной полярности (0,020—0,034 мас.% серы).
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

Введение небольшого количества ванадия в серый. Результаты измерения твердости и предела прочности чугунов, легированных ванадием (табл. 17), свидетельствуют о существенном повышении качества чугуна по сравнению с исходным, в котором σв — 9,7 кгс/мм2, HB — 140 кгс/мм2.
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

Легирование чугуна титаном. В процессе электрошлакового переплава под шлаками системы плавиковый шпат — TiO2 в чугун переходит — 0,2 мас.% титана. Количество восстановленного титана при этом практически одинаково для всех концентраций TiO2 в шлаке и не зависит от рода и полярности тока (рис. 38, 39). Процесс осаждения титана осложняется наличием кремния как в шлаке, так и в переплавляемых электродах.
Поскольку стандартный электродный потенциал для титана выше, чем для кремния, восстанавливается на катоде преимущественно кремний. Поэтому выход по току титана при ЭШП не превышает 10% (рис, 40). Химический состав чугунов после переплава под шлаком CaF2—TiO2 свидетельствует о том, что концентрации кремния здесь выше, чем в исходных чугунах, на 0,15—0,27 мас. %. Распределение титана равномерное по высоте и сечению слитка и не зависит от рода и полярности тока.
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

Расчет баланса титана подтвердил, что потери его зависят от рода и полярности тока в меньшей степени, чем потери ванадия, и связаны, но видимому, с образованием летучего TiF4. Механические свойства чугуна, легированного титаном, выше исходных, что согласуется с данными работы. Однако эти чугуны уступают ванадиевым по твердости и прочности (см. табл. 17).
Электрохимическое модифицирование чугуна магнием. Возможность электрохимического восстановления элементов на жидком катоде при электрошлаковом переплаве с успехом может быть использована для модифицирования металла, поскольку в этом случае количество вводимых модификаторов, как правило, должно быть незначительным. Таким способом можно не только добиться равномерного распределения модификатора по объему слитка, но и обеспечить необходимую концентрацию его с помощью изменения состава электролита и режима переплава.
Ниже не примере получения магниевого чугуна с шаровидным графитом показана эффективность этого способа модифицирования. Переплав вели под шлаками системы плавиковый шпат — MgF2—MgO. Концентрация MgO оставалась постоянной — 10 мас.%, а концентрация MgF2 изменялась от 10 до 40 мас.%. Как и для других элементов, наибольшая концентрация магния в чугуне наблюдается при переплаве на постоянном токе обратной полярности. Причем осаждение магния незначительное и не зависит от концентрации MgF2 в шлаке (рис. 41).
Низкий выход по току магния (5%) объясняется высокой химической активностью элемента, чрезвычайно малой растворимостью его в железе и испарением восстановленного магния. При переплаве на переменном токе в один подупериод происходит катодное восстановление Mg, в другой — его анодное растворение. Поэтому у границы шлак—металл всегда имеется достаточное количество ионов Mg2+ и изменение содержания MgF2 в шлаке не сказывается на их перезарядке. Диффузия катионов Mg2+ не лимитирует электродный процесс.
Электрохимическое легирование  и модифицирование чугуна ванадием, титаном и магнием при электрошлаковом переплаве

При концентрации магния более 0,05 мас.% чугун получается отбеленным. В структуре таких чугунов до отжига содержится большое количество цементита. Отжиг приводит к полному снятию отбела и выделению 100%-ного шаровидного графита (рис. 42). Механические испытания после ЭШП и отжига показали, что электрошлаковый чугун с шаровидным графитом обладает высокими механическими свойствами: предел прочности при разрыве 42—48 кгс/мм2, относительное удлинение 3,3-5,1%, ударная вязкость 4,8—5,1 кгс*м/см2, твердость HB 180—187 кгс/мм2.
Расчеты баланса магния при переплаве под шлаком CaF2—MgO показывают, что потери его невелики и составляют 1,5—3,1%. Наибольшие потери наблюдаются в том случае, когда катод располагается ближе всего к поверхности раздела шлак-газовая фаза. Расход MgO не превышает 5%, а расход магния составляет 0,1% от массы чугуна, что в 2 раза меньше, чем при модифицировании чугуна магнием в автоклавах под давлением. Минералогический анализ шлаков после переплава показал, что они состоят в основном из CaF2. Фтористый магний и окись магния в свободном виде отсутствуют. Они входят в сложные соединения типа CaMg2Fii и Ca3Mg3O2Fe.