Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf

внешности от снижения рсо и содержания углерода в расплаве. Все ранее проведенные исследования системы Fe—С—О, кроме [131, 132], осуществлены при плавке в тигле, что нельзя признать удовлетворительным вследст­ вие взаимодействия раствора с огнеупорной футеровкой. В связи с этим необходимо применение ЛВС для изуче­ ния указанной проблемы. Исследование продуктов ре­ акции обезуглероживания системы Fe—С—О осущест­ вили с помощью масс-спектрометра при ЛВС в вакууме ІО-7 ат по методике, описанной в работе [133].

Предварительно были проведены плавки, из которых следовало, что через 30—60 с после расплавления ско­ рость удаления окиси углерода становилась постоянной для данной температуры, разрежения и химического состава металла. После расплавления и нагрева метал­ ла до 1670°С в течение 30—60 с включали ускоренную развертку масс-спектрометра и снимали спектр от 44 до 12 масс. Через 3—3,5 мин к капле металла подводили корундизовую палочку, на которой он и застывал.

Для исследования влияния футеровки на кинетику обезуглероживания были проведены плавки в корунднзовых тиглях. Тигли были дегазированы в вакууме (ІО-5 мм рт. ст.) при 1700°С в печи М.ВП-3. Условия пла­ вок были строго идентичны описанным. Результаты эк­ спериментов приведены в табл. 20. На основе представ­ ленных данных можно принять, что состав продуктов реакции обезуглероживания близок к равновесному, од­ нако общее количество газов, выделяющихся из метал­ ла, зависит от способа плавки. В плавках в тигле газовыделение окиси и двуокиси углерода всегда превышало газовыделенпе при плавках во взвешенном состоянии (см. интенсивность пиков СО и ССД).

В этой связи ЛВС использовали для исследования раскислительной способности углерода в системе Fe— С—О методом, определения кислорода в металле. Для стабильного расплавления образцов металла применили установку с индуктором внутри камеры, рабочее давление в которой составляло ІО-7 ат и температура металла бы­ ла равна 2100|+30°С. Результаты опытов представлены на рис. 60 (область 6). Эти значения отличались от дан­ ных [131] (см. рис. 60, кривая 4), что следует, очевид­ но, .объяснить менее тщательным проведением газового анализа в ранее проведенном исследовании. 'Построен­ ная зависимость (см. рис. 60, область 6) качественно

127

подтверждается данными, полученными нами при вып­ лавке сплавов Fe—С—О в электроннолучевой печи при 1550°С и разрежении ІО-7 ат (см. рис. 60, область 3).

Зависимость раскислительной способности углерода, от ряда факторов определяют по поведению равновесно­ го коэффициента распределения серы между жидким уг­ леродистым железом и шлаком известного состава. По­ явление в чистом железе углерода приводит к смещению реакции десульфурации

в сторону перехода серы из металла в шлак, так как происходит резкое снижение содержания кислорода в металле за счет взаимодействия его с углеродом. Пони­ жение рсо в газовой фазе оказывает аналогичное дейст­ вие на эту реакцию, поскольку происходит повышение раскислительной способности углерода. Эти факторы вызывают соответствующее увеличение коэффициента распределения серы. Между коэффициентом распреде­ ления серы Ls и кислородом, растворенным в безуглеродистом металле, существует взаимосвязь, аналитиче­ скую форму которой можно показать после несложных преобразований уравнения для константы равновесия реакции десульфурации:

При постоянстве химического состава и температуры металла и шлака правая часть уравнения является по­ стоянной величиной. Для произведения коэффициента распределения серы и концентрации кислорода в метал­ ле можно записать уравнение:

леза, однако в этом случае уменьшение парциального давления окиси углерода в газовой фазе вызывает соот­ ветствующее понижение концентрации кислорода в ме­ талле и увеличение коэффициента распределения серы Ls между металлом и шлаком, но для данной концент­ рации углерода в металле произведение Ls [% О] оста-

128

ется постоянным. При этом должна быть постоянной ве­ личина парциального давления окиси углерода в газо­ вой фазе. Это дает возможность произвести расчет со­ держания кислорода в металле при соответствующих рсо. За исходное значение произведения Ls [% О] при­ нимают значения, полученные для плавок при рсо— 1 ат, поскольку в этом случае содержание кислорода можно рассчитать ^о имеющимся в литературе данным. Для расчета содержания кислорода в железе при различных концентрациях углерода используют экспериментальные значения Ls, которые получены в опытах, проведенных методом іПВС при различных значениях парциального давления окиси углерода и постоянной температуре 20О0°С. На основании вычисленных этим способом кон­ центраций кислорода построена зависимость концентра­ ции кислорода от углерода в жидком железе, приведен­ ная на рис. 61, а. Расчетная зависимость содержания кислорода от углерода для 2000°С подтверждает непро-

( о ) :

129

порционалыіую взаимосвязь между раскислптельной способностью углерода и парциальным давлением окиси углерода в газовой фазе. Наблюдающееся понижение концентрации кислорода в металле обусловлено измене­ нием раскислптельной способности углерода вследствие изменения рсо- По-вндимому, данные, полученные для плавок в инертной атмосфере, характеризуют макси­ мально возможное повышение раскислптельной способ­ ности углерода при 2000°С.

Происходящее в результате понижения рсо над рас­ плавом возрастание раскислптельной способности раст­ воренного в жидком железе углерода наблюдается до известного предела, определяемого кинетикой роста пу­

собности от парциального давления окиси углерода может быть выражена параболой. Эта зависимость представле­ на на рис. 61, б. Для низкоуглеродистого железа 0,2— 0,3°/оС парабола обращена выпуклостью вниз. С ростом содержания углерода зависимость т от рсо претерпева­ ет изменение. Участок постоянного значения т появля­ ется при снижении рсо от 760 до 300—400 мм рт. ст. В ус­ ловиях бестигельной плавки в электромагнитном поле, т. е. при исключении контакта жидкого металла с огне­ упорной футеровкой и отсутствии влияния футеровки на

жидкого металла должен уменьшаться по мере сниже­ ния адсорбции кислорода в поверхностном слое. В низ­ коуглеродистом железе образование пузырей окиси уг­ лерода в объеме металла облегчено термодинамически­ ми и кинетическими факторами. Если зародыш по своим размерам сопоставим с крупными неметаллическими

О

включениями (например, 1000 А), значение 26/г намного ниже атмосферного давления. В связи с этим по мере снижения парциального давления окиси углерода в газо­ вой фазе реакция обезуглероживания интенсифицирует­ ся до тех пор, пока это давление не окажется равным парциальному давлению окиси углерода в газовом за­

130

родыше и раскііслптельная способность углерода не ста­ нет постоянной. Для нпзкоуглеродпстого железа с 0,09% С это наблюдается при парциальных давлениях окиси углерода в газовой фазе < 2 0 0 мм рт. ст. Поверхностное обезуглероживание углеродистого железа не может быть определяющим вследствие малых скоростей диф­ фузии углерода и кислорода к поверхности раздела ме­ талл — газ. При образовании в объеме металла зароды-

О

шей около 10— 1000 А давление, необходимое для пре­ одоления сил поверхностного натяжения, должно быть' на два-три порядка выше атмосферного. Отсюда следует, что в железоуглеродистых расплавах, в част­ ности при содержаниях >1,5% С , при снижении парци­ ального давления окиси углерода в газовой фазе раскислительная способность углерода в железе изменять­ ся не должна.

Кроме знания термодинамических параметров, для полного понимания реакции обезуглероживания необхо­ димы характеристики массопереноса. Изучение кинети­ ки газовыделения окиси углерода, а также и других га­ зов (водорода, азота) обычно осуществляют с помощью плавки в тигле (индукционная вакуумная плавка) [134, с. 134]. Однако подобные методики обладают рядом не­ достатков: большой инерционностью из-за невозможнос­ ти быстрого нагрева, трудностью разделения газов, вы­ деляющихся из огнеупорного материала при нагреве тигля и металла, взаимодействием расплава с футеров­ кой тигля и т. д. По этой причине авторы использовали ПВС для изучения кинетики газовыделения из железо­ углеродистых расплавов в вакууме [135].

Схема установки приведена на рис. 62 и состоит из индукционной вакуумной печи 1, питающейся от генера­ тора ЛГЗ-10А 2; вакуумной системы, включающей азот­ ную ловушку 3, вакуумные краны 4, диффузионный на­ сос ЦВЛ-100 5, форвакуумный насос РВН-20 6, вакуум­

веющей стали 10 и масс-спектрометра МХ-13-02 11. Ша­ рики металла массой 4 г загружали в. печь и производи­ ли откачку состемы до ІО-4 мм рт. ст., отключали печь от насосов, открывали вентиль напуска масс-спектромет­ ра, который сообщался через трубку с печью, и включа­ ли генератор для нагрева металла. Температуру капли во взвешенном состоянии измеряли автоматически цве­

13]