Физикохимия металлургических систем и процессов. Щетинин А.А., Сушко Т.И

могут быть использованы только для схематического описания процесса, но не для объяснения его физико-химической сущности.

Переход серы из металлического в шлаковый расплав

протекает по реакции

[S] + 2e = S2;

это обычный восстановительный процесс, сопровождающийся потреблением электронов.

Электроны могут поступить при следующих

реакциях окисления: [Fe] = Fe2+ + 2е,

[C] + O2- = CO + 2e,

[Si] + 4O2- = SiО44 + 4e,

а также реакцией обратного перехода кислорода из шлака

в металлический расплав

O2- = [O] + 2е.

Эффект десульфурации предопределяется соотношением первой и остальных четырех реакций.

При выплавке чугуна решающим являются первая и третья реакции, которые могут быть представлены в виде

[S]+ O2- + [C] ↔ СО + S2-.

вмолекулярной форме эта реакция представлена уравнением

[FeS] + (СаО) + [С] ↔ (CaS) + [Fe] + (СО).

Межфазное распределение серы для данной температуры характеризуется коэффициентом распределения ее между шлаком и металлом:

LS = (S) .

[S]

231

Равновесие процесса определяется условиями растворимости ионов серы в шлаке и возможностью одновременного перехода катионов в шлак или встречного перехода ионов кислорода в металлический расплав. На величину LS оказывают значительное влияние степень раскисленности металла, железистость шлака и активность ионов О2-. В меньшей степени величина LS зависит от температуры.

В случае производства стали и чугуна увеличение в шлаке содержания кальция и понижение концентрации кислорода и железа имеют решающее значение для экстракции серы из металла в шлак.

Десульфурации препятствует увеличение в шлаке концентрации таких окислов, как SiО2, А12О3, P2O5. Вместе с тем замена в шлаке SiO2 на А12О3 способствует процессу десульфурации.

Значительно полнее протекает процесс удаления серы в шлак при введении, в него добавок СаF2, СаСl2 и NaCl, которые увеличивают анионную часть раствора и уменьшают в шлаковом расплаве долю сложных анионов.

Из кинетических факторов в процессе десульфурации большое значение имеет интенсивность перемешивания и вязкость. Установлено, что по мере увеличения интенсивности перемешивания металла и шлака, а также понижения вязкости шлака (что может быть достигнуто повышением температуры и введением разжижающих добавок) скорость процесса десульфурации возрастает. По-видимому, такой эффект связан с тем, что десульфурация расплавов железа протекает в диффузионной области и основным лимитирующим звеном при этом является переход серы из металлического расплава в шлак.

При выплавке литейных сплавов, главным образом чугуна и стали, часто производят внепечную десульфурацию. Внепечная десульфурация производится путем ввода в жидкий

232

металл карбида кальция и различных композиций тех или иных десульфураторов в виде порошков в струе газа. Интенсивное перемешивание металла и десульфурирующих порошков, пропускание металла через синтетические расплавленные шлаки, применение встряхивающих ковшей, специальных вращающихся печей, пропускание электрического тока и т. д. повышают полнотудесульфурации.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте и запишите условия, при которых некоторый элемент А: а) будет переходить из шлака в металл б) будет переходить из металла в шлак; в) будет находиться в равновесии между металлом и шлаком.

2.Что такое константа распределения компонента между двумя фазами? Что такое коэффициент распределения?

3.Как рассчитать уровень легирования металла компонентом А по его коэффициенту распределения?

4.Сформулируйте термодинамические и кинетические особенности окислительного рафинирования.

5.Что такое окислительная способность шлака и от чего она зависит?

6.Каков механизм окислительного рафинирования чугуна под слоем шлака?

7.Запишите в общем виде выражение для коэффициента распределения окисляемого элемента в процессе окислительного рафинирования и проведите его анализ.

8.Как влияет природа образующихся окислов на глубину окислительного рафирования?

9.Проведите термодинамический анализ реакции окисления углерода в расплавленном жидком сплаве.

10.От каких факторов зависит скорость окисления углерода в растворе железа?

11.В чем заключается процесс раскисления сплавов?

233

12.Чем обусловлена эффективность комплексного раскисления?

13.Каким требованиям должны удовлетворять раскислители?

14.Как изменяется растворимость азота и водорода в металлах с температурой?

15.Как проводится очистка металлов от растворенных

газов?

16.Каков механизм очистки металлов в условиях вакуумной плавки?

17.Сформулируйте основные термодинамические и кинетические закономерности дефосфорации сталей.

18.Сформулируйте основные термодинамические и кинетические закономерности десульфурации сталей.

234

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учебный курс «Физико-химия металлургических систем и процессов» введен в учебный план подготовки специалиста в области литейного производства решением Ученого совета ВГТУ и отнесен к циклу естественнонаучных дисциплин.

Это оправдано тем, что он продолжает и позволяет закрепить основные понятия физической химии и физики, которые лежат в основе многих процессов разработки новых литейных сплавов. Однако, с другой стороны, данная дисциплина занимает промежуточное положение между физической химией и специальными дисциплинами – такими, как «Теория литейных процессов», «Технология литейного производства», «Производство отливок из чугуна и стали» и др., которые рассматривают производство, плавку, кристаллизацию металлических сплавов и затвердевание литого металла, потому что в ней проводится физикохимический анализ конкретных систем, использующихся в литейном производстве.

Как показывает практика литейного производства на машиностроительных предприятиях г. Воронежа, наибольшего успеха в разработке и освоении технологии производства точных отливок, в том числе и ответственного назначения, добиваются те специалисты (конструкторы, технологи, металлурги), которые хорошо понимают атомномолекулярную природу физико-химических явлений и процессов в металлах, в системах газ - твердый и газ - жидкий металл, газ - жидкий металл – жидкие оксиды. Это позволяет им получать более чистые или практически свободные от нежелательных примесей металлические сплавы, разрабатывать новые сплавы с заданными свойствами, изделия из которых могут работать в интенсивных условиях эксплуатации – при воздействии высоких (до 10000 С и выше) температур и нагрузок, при низких температурах (до –

235

60 0 С), в жидких и газовых средах, содержащих агрессивные вещества (SO2 , H2S и т.п.). Они легко осваивают новые приемы плавки и литья (литье под регулируемым давлением, вакуумная плавка, вакуумно-пленочная формовка и т.д.), могут предсказывать поведение различных материалов в новых технологических условиях, научно обосновывать, разрабатывать и оптимизировать новые технологические процессы в литейном производстве.

236

ПРИЛОЖЕНИЕ

Продолжение приложения

Продолжение приложения

Продолжение приложения

Карбонаты

240