» » Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами
25.12.2014

Обработка раскисленной жидкой стали порошкообразными реагентами вводимыми струей газа, способствует ее очищению от кислорода.
В работе излагаются результаты исследования процесса очищения жидкого металла от кислорода и водорода. Методика исследования была в основном аналогична методике, проведенной в работе. Опытные плавки проводились в основной индукционной печи емкостью 5 кг. В качестве порошкообразных реагентов использовались молотые синтетические и промышленные шлаки, несущим газом служил аргон. Шлаки вдувались в Предварительно раскисленный металл. Количество вдуваемых шлаков составляло 1,5% от веса металла, температура металла — 1600° С. Продолжительность продувки в опытах по удалению кислорода колебалась от 0,5 до 1,5 мин, а в опытах по удалению водорода не превышала 20 сек.' Пробы отбирались в кварцевые трубки диаметром 6—8 мм. Пробы для определения водорода закаливались в воде и хранились (не более 12 час) в твердой углекислоте. Количество водорода в металле определялось методом вакуум-нагрева, а кислорода — методом вакуум-плавления.
Введение в расплар извне крупных шлаковых частиц при интенсивном перемешивании ванны позволяет очищать металлический раствор от субми-кроскопических окисных включений.
Возможность очищения металла от кислорода проверялась экспериментально в двух группах плавок. В плавках первой группы жидкое железо раскислялось марганцем и затем продувалось известью. Во второй группе плавок железо раскислялось 75%-ным ферросилицием, а продувка — синтетическими шлаками. Поведение кислорода в плавках с продувкой сопоставлялось с данными плавок, раскисленных без продувки.
При раскислении жидкого железа марганцем снижение содержания кислорода до минимальных значений происходит в течение 1—2 — максимум 4 мин. Существенного влияния продувки на скорость удаления кислорода замечено не было. Иное получается при рассмотрении конечных концентраций кислорода.
На рис. 1 представлена зависимость содержания кислорода от содержания марганца в металле. Экспериментальные данные получены по результатам анализа проб, отобранных после четырехминутной выдержки раскисленного металла. Точками на графике обозначены данные, соответствующие плавкам, раскисленным без продувки, крестиками — с продувкой. Данные по раскислению железа марганцем без продувки удовлетворительно совпадают с равновесной кривой, полученной А. Д. Крамаровым и С. Я. Резниковой. Из рис. 1 следует, что содержание кислорода в железе, раскисленном марганцем с последующей продувкой 1,5%-ной извести, примерно вдвое ниже концентрации кислорода в железе, раскисленном только марганцем.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

В табл. 1 приведены составы и температуры плавления синтетических шлаков, использованных при раскислении железа ферросилицием.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

Для исследования отбирались наиболее легкоплавкие шлаки. Шлак № 1 является базовым. Шлаки № 2—6 получены путем замены части CaO или SiO2 окислами марганца и натрия, шлак № 7 — типичный перреновский шлак. В табл. 2 приводятся показатели скорости и полноты очищения расплавов от кислорода. За показатель скорости принято время, в течение которого исходное содержание кислорода снижается до 0,01%. Показателем полноты раскисления служит минимально достигаемая в данной группе плавок величина [%Si]x[%O]2.
Из табл. 2 следует, что при продувке расплава, раскисленного кремнием, скорость удаления кислорода увеличивается в два-три раза. Минимально достигаемые концентрации кислорода оказываются при этом на 30—40% ниже, чем в опытах без продувки. Произведение [%Si] х [%О]2 для опытов без продувки соответствует данным, полученным Хилти и Крафтсом в подобных условиях. Полнота раскисления, подсчитанная по результатам опытов с продувкой, значительно колеблется для разных групп плавок, она мала при больших скоростях удаления кислорода (продувка шлаками № 1, 2, 4, 5) и велика при малых скоростях (продувка шлаками № 3, 6,7). Скорость и полнота очищения кислорода при продувке определяются физическими и химическими свойствами шлака. Эти свойства определяют «сорбирующую» способность шлаковой частицы в среде жидкого металла.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

На рис. 2 представлены фотографии включений, обнаруживаемых в образцах стали, раскисленной ферросилицием с последующей продувкой шлаком № 1. Образцы отбирались путем засоса металла из печи в кварцевые ампулы диаметром 16—20 мм. Вид включений до продувки металла шлаком показан на рис. 2, а. Это типичные силикаты. В пробах, взятых сразу после продувки расплава шлаком, наряду с этими силикатами имелись включения иного характера (рис. 2, б, в). Микрохимический качественный анализ темной «глыбы» показал, что в ней имеется известь и магнезия, т. е. компоненты шлака № 1. Из рисунков видно, что силикаты налипают на шлаковую «глыбу», являющуюся как бы сорбентом для продуктов раскисления.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

С целью изучения влияния продувки жидкого металла шлаками на поведение водорода и азота нами было проведено около 50 плавок. В табл. 3 приведены составы шлаков, использованных для продувки металла, и данные снижения содержания водорода в металле (в % от исходного содержания).
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

При выборе составов шлаков мы руководствовались двумя соображениями.
1. Шлаки должны обладать определенными физическими свойствами, которые определяют характер взаимодействия шлаковой частицы с растворенными в металле газами. Добавки SrO и TiO2 в значительной степени влияют на эти свойства (шлаки № 8, 9, 10).
2. Использовать для целей дегазации желательно предельные шлаки (мартеновский и доменный) или синтетические шлаки, нашедшие применение для других технологических целей, например, шлак электрошлакового переплава типа АНФ-6, Механизм удаления водорода из металла при продувке порошкообразными шлаками представляется следующим. Наличие в объеме жидкого металла большого количества частиц шлака создает возможности для выделения растворенного в металле газа по границам раздела металл — шлаковая частица. Выделившийся из металла газ удерживается на шлаковой частице силами электростатического притяжения.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

Чтобы выяснить влияние барботажа жидкого металла струей аргона, несущей порошки шлаков, на поведение водорода, несколько плавок провели с продувкой металла только аргоном. Расход газа, время продувки, диаметр трубки, через которую вдували аргон, оставались такими же, как и для плавок, продутых шлаками. Результаты исследований сведены в таблицу 4.
Как видно из табл. 4, содержание водорода в этих плавках снизилось на 7—12% и только в одной плавке на 23 %.
При одинаковом начальном содержании водорода (около 6 см3/100 г) в плавке, продутой шлаком, водород понизился до 3,48, а в плавке, продутой аргоном, лишь до 5,11 см3/100 г.
Рис. 3 показывает количество удаленного водорода |ΔН=Нисх-Нкон| при продувке металла синтетическими шлаками № 10 и АНФ-6 в зависимости от исходного содержания водорода |Нисх|. Независимо от начального содержания водорода в металле всегда наблюдалось понижение в содержании водорода после продувки шлаками.
Поведение газов при обработке металла твердыми сорбентами

При относительно высоких навальных содержаниях водорода (от 5 см3/100г и выше) следует количество вдуваемого шлака увеличить сверх 1,5%., принятых в наших экспериментах.
Три плавки металла были ;продуты шлаком АНФ-6 в струе воздуха. Содержание водорода в этих плавках понизилось на 38—52%, т. е. получили степень дегазации, аналогичною плавкам, где в качестве несущего газа использовали аргон. На этих плавках было отмечено небольшое повышение содержания азота в металле после продувки (на 0,0006—0,0008%).
На подавляющем большинстве плавок содержание азота после продувки расплава шлаками оставалась примерно на одном и том же уровне, независимо от начального содержания его в металле, и составляло 0,004—0,009%. Это может быть объяснено тем, что подавляющая часть азота находится в расплаве в виде нитридов. По-видимому, время контакта частичек шлака с нитридами и адсорбционный потенциал частиц недостаточны для извлечения азота из нитридов.