Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 126
Скачиваний: 0
печи составляет 31%, после второго 54%, а электрон нолучевой переплав снижает газовыделение на 76%. Со поставимые результаты получены ранее по степени сни жения содержания углерода, кислорода и азота ( ~ 8 7 и 98%) после электроннолучевой плавки вольфрама.
Т а б л и ц а 22
Относительное количество и состав газа, выделяющегося из вольфрама при 2500°С в вакууме ІО-3 мм рт. ст.
|
Штабик |
||
Газ |
|
|
состав |
|
р -1 0 “ 3 |
' |
|
|
газа, |
||
|
мм рт. |
ст. |
|
|
% (об.) |
||
|
|
|
|
н 2 |
3 ,95 |
|
45,2 |
с о |
3 ,80 |
|
43 ,4 |
n 2 |
0 ,83 |
|
9 ,5 |
С О . |
0,17 |
|
1,9 |
Один переплав в дуговой печи
Р - 1 0 3 |
, |
состав газа, |
степень |
мм рт. |
ст. |
% (об.) |
удаления |
|
|
|
газов, % |
2 ,86 |
|
47,8 |
2 7 ,6 |
2 ,4 6 |
|
41,2 |
35,2 |
0,53 |
|
8 ,8 |
36,2 |
0,13 |
|
2 ,2 |
23,5 |
Два переплава в дуговой печн
Газ |
|
состав |
степень |
|
р-10 3 • |
||
|
газов, |
удаления |
|
|
мм рт. ст. |
% (об.) |
газов, % |
н 2 |
2,0 2 |
43,5 |
48 ,8 |
с о |
2 ,1 2 |
4 5,8 |
44,2 |
n 2 |
0,4 6 |
8 ,9 |
4 4 ,6 |
с о а |
0,04 |
0 ,8 |
7 6 ,5 |
Продолжение табл. 22
Электроннолучевой переплав
р-10 3 , |
состав |
степень |
газов, |
удаления |
|
мм рт. ст. |
% (об.) |
газов, % |
0,9 8 |
46,7 |
75 ,3 |
0,85 |
40 ,0 |
77 ,6 |
0,27 |
12,6 |
67,5 |
0 ,03 |
1,4 |
82 ,3 |
П р и м е ч а н и е , р — парциальное давление.
Наряду со спектрами газа была изучена кинетика газовыделения окиси углерода и водорода, являющихся основными компонентами газовой фазы над вольфрамом (см. табл. 22). Кинетические кривые показаны на рис. 65, а—в. Их рассмотрение подтверждает вышепри веденный вывод о незначительном газовыделении воль фрама, предварительно переплавленного в электронно лучевой печи. Оценили относительную скорость газовы-
140
v ,c
Р.и>с. S5. Кинетика выделения окиси углерода (а, б)
1п—3
и водорода (в) из гольф,рама п-рн 2500°С и 10 мм рт. ст. в зависимости от технологии обработки:
1 — переплав |
в ЭЛП; 2 — переплав |
<в |
ВДП; 3 — |
|
двойной переплав >в ВДП: |
4, 5 — металлокераммче- |
|||
•окнй штабшк |
соответственно |
после 3 |
и |
И отжига; |
|
6 — исходный |
образец |
|
|
141
деления при различных выдержках вольфрама в вакуу ме. Для этого определили отношение интенсивностей вы деления окиси углерода (пренебрегая азотом) в интер валах времени t к исходному. За исходную интенсив ность выделения приняли значения начала диффузион ного периода дегазации, лимитирующего весь процесс.
На рис. 65, б приведена зависимость lg —^ -о т времени,
где с — интенсивность выделения газа. Видно, что наи большая скорость дегазации наблюдается у металлоке рамического вольфрама и уменьшается после дуговой и электроннолучевой плавки. Подобное наблюдали при выделении водорода. Полученные результаты послужи ли основанием для разработки технологии предвари тельного отжига штабиков вольфрама перед последую щим вакуумным переплавом.
■ Благодаря использованию ПВС для исследования процессов раскисления и газовыделения в вакууме и га зовых смесях удалось совершенно иначе оценить меха низм этих процессов. Действительно, наличие огнеупор ной футеровки нужно принимать во внимание при изучении указанного взаимодействия особенно с исполь зованием вакуума. Более того, исследование этих процессов в обычных огнеупорных тиглях с использова нием вакуума должно приводить к заметным ошибкам из-за сложности восстановления элементов из футеров ки тигля и растворения их в исследуемом металле. Большое влияние на механизм указанных реакций долж но оказывать и то, что взаимодействие жидкого металла с газовой фазой или вакуумом происходит всей поверх ностью жидкой сферы, чего не наблюдается почти ни в одном экспериментальном методе, используемом для исследования металлургических процессов. Для изуче ния взаимодействия в системе газ — расплав этот фак тор безусловно благоприятен, так как позволяет рас крыть совершенно новые закономерности.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ МЕЖДУ МЕТАЛЛОМ И ШЛАКОМ
Новые высокотемпературные процессы рафинирова ния металла с использованием шлаков, к которым отно сятся вакуумная плавка металлов с синтетическими шлаками, элек;рошлаковый переплав и др., постоянно
J42
требуют дополнительных сведений по распределению элементов в системе металл— шлак — газ. Такого рода равновесие в гетерогенных системах изучают на рас плавах в огнеупорных тиглях, находящихся в контакте с газовой фазой известного состава. Установление рав новесия, которое определяют по химическому составу отобранных из расплава и газа проб, требует длительно го времени, нередко достигающего нескольких часов. По добные исследования с помощью традиционных методов осложнены взаимодействием металла и шлака с огне упорными тиглями. Процессы при температурах до 1400—■1500°С исследуют в графитовых тиглях, в которых окислительный потенциал системы автоматически под держивается на очень низком уровне, однако науглеро живание металла препятствует проведению исследова ний с безуглеродистым железом. Опыты, в которых про водилось определение коэффициентов распределения примесей между металлическими и шлаковыми распла вами в тиглях из глинозема, магнезита и других огне упорных материалов, не свободны от ошибок, обуслов ленных изменением состава шлака и металла в резуль тате побочных реакций расплавов с тиглем. Например, при десульфурации жидкого железа в тиглях из окиси магния содержание этого окисла в шлаке возрастало до Ш— 12%. Повышение температуры приводило к еще большим погрешностям.
Попытки исключить взаимодействие огнеупорных ма териалов с исследуемыми шлаковыми и металлически ми расплавами предпринимались неоднократно, но поч ти все они были малоэффективны и не достигали наме ченной цели. Хорошо известен экспериментальный ме тод вращающегося тигля [137]. Создатели этого метода преследовали цель, состоящую в устранении контакта шлакового расплава с огнеупорным тиглем. При враще нии массивного огнеупорного тигля на поверхности ме талла образуется воронка и шлак контактирует только со стенками металлической воронки. Метод вращающе гося тигля не получил широкого распространения из-за конструктивных сложностей, встретившихся при выпол нении самой установки, подборе скоростей и отработки технологии плавки. Различие в плотностях металла и шлака приводило к тому, что шлак при вращении тигля попадал на стенки тигля и взаимодействовал с ним. В процессе плавки происходило быстрое размывание огне
143
упорного тигля жидким металлом и т. д. Появившийся позднее метод последовательного насыщения [138] также не смог полностью ликвидировать контакт тигля с металлом и частью шлака, находящейся в порах огне упорного тигля. Состав металлического расплава при достижении равновесия изменяется, особенно если в ме талл вводят элементы-раскислители. Усовершенство ванный вариант этого метода [139], состоящий в приго товлении прессованных брикетов мелкодисперсных по рошков металла и шлака и расплавлении их в обычных тиглях, позволяет исследовать распределение элементов, которое заканчивается к моменту полного расплавления брикета. Однако свойственная этому способу неопреде ленность, которая вносится колебанием температуры при изменении состава металла и неравновесным рас пределением некоторых элементов, не позволяет широко использовать его для исследования равновесного рас пределения элементов в гетерогенных системах.
Метод ПВС, использованный для исследования рав новесного распределения элементов между металлом и шлаком, полностью исключает контакт исследуемого расплава с огнеупорным материалом тигля1 [140— 146]. Нагрев, плавление и кристаллизация металлов со шла ком происходит в контролируемой газовой атмосфере. Длительность выдержки жидкого металла со шлаком до наступления равновесия, как правило, невелика. Ме тод позволяет осуществлять опыты в широких темпера турных интервалах, благодаря чему возможно определе ние температурных зависимостей для всевозможных хи мических реакций.
Принципиальная схема экспериментальной установ ки для изучения распределения элементов между метал лом и шлаком приведена ранее (см. рис. 34). Возможно использование камер с внешним и внутренним располо жением плавильного индуктора, но более предпочти тельными являются камеры с расположением индуктора внутри камеры, поскольку в этом случае исключается опасность соприкосновения металла и шлака со стенка
ми кварцевой трубки. На рис. 66 |
[146] показана реак |
|
ционная камера, |
выполненная из |
кварца, однако пла- |
1 Г л е б о в с к и й |
В. Г. Исследование |
распределения серы меж |
ду жидким железом и низкожелезистыми шлаками при плавке во взвешенном состоянии и рсо^1,0 ат. Автореф. канд. дис. Москва,
1966.
144
сильный индуктор расположен внутри камеры. Такая установка оборудована устройствами для подачи образ ца в индуктор, подачи шлака на каплю с помощью спе циального питателя, измерения температуры и проведе ния закалки металла и шлака.
Образец металла с помощью керамической палочки подают в индуктор. При изучении распределения эле ментов шлаковую смесь массой до 0,35 г помещают в
о*
Ѵ л ''l 4-50кГц
Iz l J 15к В т
Рис. 66. Схема реакционной камеры для И'ьследоваідаія іра-спредележія элементов между (металлом н шл-аком:
J — Д'внігаггель |
для .подачи |
шлака; 2 — уплотнение; |
||||
3 |
— питатель |
со |
шл-аком; |
4 — |
реакцисШ'На.я |
камера; |
5 |
— плавильный |
-индуктор; |
6, |
9 — медные |
подложки |
для закалки |
шлака-; 7, 5 — толкатель н -ма-гнит; |
10 — нижняя |
часть индуктора; // — гляделки; 12 — |
|
пирометр |
углубление, высверленное в металлической капсуле массой от 1 до 5 г. Затем отверстие закрывают металли ческой крышкой. Иногда для проведения опытов исполь зуют брикеты, причем смесь для брикетирования гото вят из тонких металлических и шлаковых порошков. В некоторых случаях порошкообразный шлак подают на
6 Зак. 556 |
145 |
каплю расплавленного Металла с помощью питателя, установленного над плавильным индуктором.
После включения генератора металл примерно в те чение 30 с полностью расплавляется и нагревается до необходимой температуры опыта. Расплавленный обра зец приобретает яйцеобразную форму и жидкий шлак силами межфазного натяжения удерживается в нижней части его. Поскольку нагрев шлакового расплава проис ходит в основном за счет металлической капли, пред ставляет интерес определение разности температур жид ких металла и шлака. С учетом излучательной способ ности обоих расплавов эта разность температур оказа лась незначительной [146]. Некоторое превышение тем пературы шлака над температурой металла следует от-
нести за счет |
|
недостаточно |
ТОЧНОГО |
учета |
излучатель' |
|
ной способности шлака, °С: |
|
|
|
|
||
Металл |
|
. . . . .1626 |
1626 |
1613 |
1613 |
1615 |
Шлак |
. |
. . . . .1631 |
1647 |
1637 |
1648 |
1625 |
Металл |
|
. . . . .1625 |
1855 |
1878 |
1878 |
1900 |
Шлак |
. |
. . . . .1613 |
1913 |
1898 |
1918 |
1930 |
Экслериментальное время, необходимое для дости жения равновесного состояния между шлаком и метал лом, определяется диффузией в шлаковой фазе, так как жидкий металл очень интенсивно перемешивается, а расчетное время составляет примерно 0,5— 1,0 с [64]. В связи с этим при проведении аналогичных опытов необ ходима выдержка жидкого металла в контакте с рас плавленным шлаком от 20 с до 10 мин. Опыты с введе нием обычной и радиоактивной серы в металл и шлак показали, что наблюдающийся в первые минуты разброс
значений коэффициента распределения |
серы |
через 5— |
8 мин полностью отсутствует (рис. 67). |
(При |
определе |
нии равновесной выдержки следует учитывать не толь ко диффузию в шлаковом расплаве, но и изменение хи мического состава металла и шлака.
Большое значение для получения корректных резуль татов по равновесному коэффициенту распределения элементов между двумя конденсированными фазами имеет скорость закалки металла и шлака, поскольку, если скорости падения капли и последующей кристал лизации будут недостаточно высокими, то может прои зойти смещение равновесия. .Возможное изменение со става металла н шлака в процессе падения, которое продолжается не более 0,1 с, незначительно, поскольку
146