книги из ГПНТБ / Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии

Кіёнта при высоких температурах (для железа) сопро­ вождается изменением характера диссоциации окиси углерода, увеличением давления насыщенного пара же­ леза при повышении температуры до 2000°С и т. д. Уве­ личение последнего параметра в зоне реакции должно

-Ідас

/ —•расчетные данные; 2 — экспериментальные значения

приводить к понижению парциального давления окиси углерода и, как следствие, к некоторому завышению коэффициента распределения серы. Расчет возможного изменения состава газовой фазы вследствие образова­ ния С 02 и Fe (СО)б показал, что ни конверсия, ни обра­ зование пентакарбонила же­ леза не оказывают сущест­ венного влияния на состав газовой фазы, который оп­ ределяется только взаимо­ действием газовой фазы с

жидким металлом.

Известно, что влияние углерода на процесс пере­ распределения серы между

152

активность серы в металле, что приводит к увеличению коэффициента распределения серы, и, во-вторых, углерод раскисляет металл, что также должно способствовать увеличению коэффициента распределения. Понижение парциального давления окиси углерода в газовой фазе приводит к увеличению раскислительной способности углерода к, следовательно, к повышению коэффициента распределения. На рис. 68 и рис. 70 показано влияние рсо на изменение коэффициента распределения: пониже­ ние парциального давления окиси углерода обеспечива­ ло увеличение (хотя и непропорциональное) коэффици­ ента распределения.

Влияние температуры на коэффициент распределе­ ния серы изучалось неоднократно с помощью самых раз­ нообразных методов исследования, но однозначного характера этой зависимости установлено не было, В ра­ боте [134, с. 81] по результатам расчета концентрации кислорода в жидком углеродистом железе на основании экспериментальных данных по. коэффициенту распреде­ ления серы был сделан интересный вывод относительно температурной зависимости коэффициента распределе­ ния серы. Рассчитанные значения содержания кислоро­ да более чем в два раза превышают концентрации кис­ лорода для соответствующих значений углерода при 1550°С. Известно, что повышение температуры приводит к увеличению растворимости кислорода в железе, и вполне очевидно, что такое увеличение растворимости кислорода в железе должно смещать равновесие реак­ ции десульфурации в сторону перехода серы из шлака в металл, т. е. с повышением температуры коэффициент распределения серы Ls должен уменьшаться. Для уста­ новления этой температурной зависимости проведены плавки углеродистого железа со шлаком во взвешенном состоянии в атмосфере гелия и аргона, что соответству­ ет температурам 1750 и 2000°С. Результаты этих опытов приведены в табл. 24. Эти данные могут быть представ­ лены в виде следующего уравнения, справедливого во всем исследованном диапазоне температур:

lg І - = 0,379 — 1,858 lg ас + (0,953+1,082 lg ас)Х is

Характер полученной зависимости позволяет однознач­ но утверждать об уменьшении коэффициента распреде­

153

ления серы между углеродистым железом и шлаком при возрастайии темпера туры.

Роль закиси железа в распределении серы между железом и известковоглиноземистым шлаком изучена мало, хотя десульфурирующая способность этих шла­ ковых композиций в сильной мере зависит от содержа-

Т а б л и ц а . 24

Зависимость Ls от содержания углерода в металле при 1750 и 2000°С

н'ия в них закиси железа. Поэтому сделана попытка исследовать влияние малых содержаний закиси железа в шлаке,, состоящем из 53% СаО и 47% А120 3, на коэффициент распределения серы. Поскольку раство­ ренный в железе углерод раскисляет как металл, так и Шлак, в определении роли закиси железа следует учи­ тывать наличие углерода в жидком железе. Эксперимен­ тально определенная зависимость приведена на рис. 71. При содержании закиси железа в шлаке >>4,0% коэф­ фициент распределения серы не превышает 2—3. Замет­ ное увеличение Ls наблюдается при.снижении содержа­ ния закиси железа <2,5% и увеличении содержания уг­ лерода в железе >0,1% . При содержании закиси желе­

154-

СВОЙСТВА ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ

Давление насыщенного пара железа и его сплавов

До появления ПВС давление насыщенного пара жид­ кого железа было определено только для температур, не превышающих '1700°С. Большие экспериментальные трудности, которые сопутствуют высокотемпературному исследованию железоуглеродистых расплавов, привели к тому, что данные по активности углерода для более высо­ ких температур отсутствуют [147]. Известны лишь дан­ ные по влиянию углерода на скорость испарения железа.

Для измерения давления насыщенного пара жидкого железа использовали ПВС в сочетании с методом несу­ щего газа. Экспериментальная установка состоит из системы газовой очистки, откачки, напуска и измерения скорости газового потока. При измерении давления пара необходимо точно знать гидродинамические характерис­ тики системы, поэтому опыты проводят только в реак­ ционных камерах с внешним расположением плавиль­ ного индуктора, являющимся более компактным по сравнению с другим типом устройств. Предварительно осуществляют градуировку реакционной камеры. Для насыщения газового потока парами железа используют повышенную турбулизацию, для чего инертный газ в реакционную камеру подают через специальные боковые

таллизации металла показана на рис. 72 [125].

Нагрев многовитковым индуктором образцов массой 2,5—4,0 г до 1900°С осуществляют в проточной атмосфе­ ре чистого гелия, а до более высоких температур — в аргоне. Скорость потока инертного газа колеблется от 10 до 500 см3/мин в зависимости от температуры опыта. Измерение температуры металла во время плавки произ­ водят по нижней части висящей капли, причем в течение минуты успевают сделать до 4—5 замеров. Плавка при

2000°С длится 10— 1(5 мин, а при 1635— 1800°С — от 40

до 70 мин. Расплав после окончания опыта сливают в изложницы, установленные на поворотном столике, или в керамические трубки.

Количество испарившегося железа определяют по из­ менению массы образца и по количеству конденсата, ко­ торый накапливается на фильтре. Расхождение резуль-

156

татов, полученных этими двумя способами, в среднем составляет 2,3%. На рис. 73 представлена температур­ ная зависимость давления насыщенного пара чистого железа по данным работ [11, 125], которая свидетельст­ вует о хорошем согласии расчетных данных и экспери­ ментальных результатов, полученных методом ПВС.

В этих работах давление насыщенного пара железа над расплавами Fe — С определяли при различных со­ держаниях углерода в широком температурном диапа­ зоне. Трудность определения давления пара от­ дельных компонентов в многокомпонентной сис­ теме с сильным взаимо­ действием, каковой яв­

рение компонентов идет с различными скоростями. Так, при изучении испа­ рения железа из распла­ ва Fe — С следует учиты­ вать рост содержания уг­ лерода за счет интенсив­ ного испарения железа. Такое поведение углеро-

157

да в расплавленном углеродистом железе должно соответствующим образом сказываться на изменении ак­

сильного испарения железа содержание углерода в ра­

нии. По этой причине во всех расчетах учитывали сред­ нее содержание углерода, что должно было внести неко­ торую ошибку как в определение давления пара железа при повышенных температурах, так и в определение температурной функции.

На основании измерения давления насыщенного пара жидкого железа в области высоких температур были рассчитаны активность и коэффициент активности желе­ за. Оказалось, что в жидких железоуглеродистых ра­ сплавах активность железа обнаруживает отрицатель­ ные отклонения от закона Рауля, степень которых убы­ вает с ростом температуры. Была также установлена за­ висимость коэффициента активности углерода от его концентрации в расплаве. Растворы углерода в жид­ ком железе при концентрациях до 2,5—3,0% в диапазо­ не исследованных температур обнаруживали незначи­ тельные отрицательные отклонения, которые при более высоких концентрациях углерода переходили в сильные положительные отклонения. Повышение температуры расплава приводило к уменьшению активности углерода при постоянном содержании.

Плотность

От точности измерения плотности жидких металлов в значительной мере зависит корректность описания мно­ гих структурных превращений в металлических систе­ мах.

Недостаточность, а подчас и противоречивость све­ дений относительно плотности жидких металлов при вы­ соких температурах возникает прежде всего из-за экспе­ риментальных ошибок, вносимых существующими мето­ дами определения плотности. Так, в пикнометрическом

158

методе поправка на тепловое расширение пикнометра при нагреве его до температуры опыта может достигать 48%. При определении плотности металлов методом максимального давления в газовом пузыре вводят по­ правки на тепловое расширение капилляров, доходящие иногда до 1—2%, а поправки на изменение объема жид­ кого металла вследствие погружения капилляра состав­ ляют ~ 3,5%. Наиболее отработанным является метод измерения плотности жидких металлов по конфигурации лежащей на огнеупорной подложке капли металла. Од­ нако всем используемым в настоящее время методам из­ мерения плотности расплавленных металлов присущ один серьезный недостаток, который ограничивает их возможности: между расплавленным металлом и мате­ риалом подложки или тигля наблюдаются неконтроли­ руемые реакции.

Для измерения плотности жидких меди, никеля и.железа в широком интервале температур использовали ме­ тод ПВС [148, 149]. Эти металлы выбраны для оценки возможностей нового метода, так как плотность этих ме­ таллов уже с большой точностью измерена надежными низкотемпературными методами. Схема эксперименталь­

дом ПВС осуществляют в камерах с внешним и внутрен­ ним расположением плавильного индуктора.

Образцы жидкого металла в многовитковых индукто­ рах имеют, как правило, яйцеобразную форму, удобную для последующего расчета. Для фиксации горизонталь­ ного и вертикального контуров этой капли, которые сни­ маются на один кадр скоростной кинокамерой, исполь­ зована специальная оптическая система. Форма капли по ходу плавки непрерывно изменяется и капля колеблется, поэтому в расчетах используют только фотоснимки жид­ кого металла в те моменты, когда ось его вращения со­ впадает с осью индуктора. Варьирование температуры жидкой капли в широком интервале осуществляется из­

ности состояниями покоя. Поэтому возникновение в кап­

159

Полученные методом ПВС результаты хорошо согла­ суются с экспериментальными зависимостями, опреде­ ленными методом максимального давления газового пу­ зыря [150]. Это подтверждает возможность использова­ ния метода ПВС для корректного измерения плотности жидких металлов при высоких температурах, что особен­ но важно для металлов с высокой реакционной способ­ ностью.

Поверхностное натяоісение

Большая роль поверхностных явлений во всех метал­ лургических процессах при производстве металла хоро­ шо известна. Характерной чертой поверхностного натя­ жения металлических расплавов является повышенная избирательная чувствительность к присутствию малых примесей. Методы измерения поверхностного натяжения делятся на две группы: статические и динамические. Значительная часть экспериментальных сведений по по­ верхностному натяжению определена с помощью стати­ ческих методов, к которым относятся методы лежащей капли, максимального давления в газовом пузырьке и т. д. Однако температурный диапазон измерения по­ верхностного натяжения этими методами относительно узок вследствие экспериментальных ограничений. Дина­ мические методы измерения поверхностного натяжения основаны на том, что измерение производится по пара­ метрам, характеризующим некоторый процесс, например, частоту колебаний в жидкой среде или длину распрост­ раняющихся на поверхности расплава капиллярных волн и т. д. Динамическим методом является и метод измере­ ния поверхностного натяжения парящей в электромаг­ нитном поле колеблющейся капли жидкого металла.

При использовании этого метода выявляются сле­ дующие особенности: отсутствие подложки, наличие сфе-

161