Подготовка флюсов к плавке

Флюсы производятся централизованно и представля­ют собой гранулы диаметром 0,2...3 мм (96 %). В подготовку входит прежде всего прокаливание флюсов в различного типа нагревательных печах и последующая их дозировка. Флюсы обладают склонностью к гидрата­ции при хранении. Воду, содержащуюся во влажных флюсах, подразделяют на свободную, адсорбционную или гигроскопическую, кристаллизационную, конститу­ционную и цеолитную.

Примером свободной воды служит ее тонкий слой на поверхности при попадании извне (роса, иней). Она легко удаляется при нагреве до 100 °С. Флюсы, пред­ставляющие собой частицы с развитой поверхностью адсорбируют воду из воздуха, особенно при переменной температуре окружающей среды. Поэтому флюс, хранимый в разгерметизированном состоянии, содержит адсорбированную воду и его перед использо­ванием следует подсушивать.

Кристаллизационная вода входит в структуру кристаллов ряда химических соединений, так называе­мых кристаллогидратов. Удаление воды для боль­шинства кристаллогидратов происходит при нагреве до 400 °С. Примером кристаллогидрата может служить такой компонент флюса, как гидроалюминат кальция ЗСа0А1₂0₃-6Н₂0.

Конституционная вода входит в состав соединений, и для ее удаления требуется большое количество энергии. Такую форму воды имеют такие вещества, как Mg(OH)₂ и Са(ОН)₂, и др. Гидраты оксидов могут удерживать некоторое количество воды до 1000 °С.

Цеолитная вода отличается от кристаллизационной и конституционной воды тем, что она может находиться в кристаллах в переменном количестве в виде отдельных молекул. Количество такой воды определяется размера­ми каналов, соединяющих пустоты и выходящих на поверхность кристаллов. Для цеолитной воды в крис­таллических веществах характерно то, что она удаляется в интервале 200... 1000 °С.

Флюсы с высоким содержанием СаО более склонны к гидратации. Для эффективного использования флюса ЭШЛ необходимо создавать условия, исключающие возможность гидратации в процессе хранения. Для этих целей флюс упаковывают в герметичную тару непо­средственно после его получения, а перед употреблением прокаливают при 700...800 °С и выше. Длительность прокаливания 4...6 ч; срок хранения прокаленного флюса в цехе - не более 4 ч; рекомендуется использовать готовый флюс в течение 2 ч после прокаливания.

При расплавлении флюса в флюсоплавильной печи расплав находится в контакте с атмосферой, содержа­щей разное количество водяных паров. Минимальной склонностью к растворению этих паров обладает флюс, состоящий из 100 % CaF₂, максимальной - флюс содержащий большое количество СаО. Из этого не следует, что перед расплавлением нет необходимости в прокаливании флюсов. Прокаливанием удаляется значительное количество влаги. Кроме того, расплавле­ние влажного флюса приводит к сильному выделению дыма.

В процессе расплавления принимают меры, чтобы предотвратить поступление водорода во флюс из атмосферы. Это достигается созданием защитной атмосферы в зоне плавления применением аргона, осушенного воздуха и других газов, продувкой жидкого расплава инертным газом или газовыми смесями.

8.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЭШЛ

Взаимодействие между расплавленным металлом и каплями, проходящими через слой шлака, позволяет получать металл с уникальным качеством. Проходя­щие при этом физико-химические процессы между атмосферой, шлаковой ванной, металлом электрода и металлической ванной можно представить схемой (рис. 8.8).

Рис.8.8. Схема физико-химических процессов между атмосферой, шлаковой ванной, металлом электрода и металлической ванной при ЭШЛ.

Между атмосферой и металлической ванной нет прямого контакта. Они взаимодействуют через шлако­вую ванну (процессы 1-4) и в некоторой мере Я через электродный металл (процессы 9, 10). К процессам 1 относится поглощение шлаком газов и паров, содержа­щихся в атмосфере. Это прежде всего окисление шлака, растворение в нем водорода и азота. Шлаковая ванна в свою очередь выделяет в атмосферу пары, большей частью летучие компоненты шлаковой композиции, а также газообразные продукты взаимодействия шлака с металлом, например фториды, сернистые соединения и др. (процессы 2). К процессам 3 и 4 относится раскис­ление металла ванны (если флюс является раскислителем по отношению к нему) или окисление металла. На границе между шлаковой и металлической ваннами происходит обмен во­дородом, серой, азотом и другими элементами.

Природа химическо­го взаимодействия меж­ду шлаковой ванной и электродным металлом (процессы 5, 6) такая же, как и между шлаковой и металлической ваннами, только в первом случае взаимодействие интенсивнее. Особенно интенсивно взаимодействие происходит на стадии пленки и капли, образующейся на конце плавящегося электрода, что объясняется значительной удельной поверхностью раздела со шлаком.

Взаимодействие электродного металла с металли­ческой ванной (процессы 7,8) заключается в получении расплава, который после затвердевания образует металл слитка. Взаимодействие между электродным металлом и атмосферой (процессы 9, 10) сводится к окислению поверхности металла и адсорбции на нем газов. В результате реакции металла с влагой происходит усвоение водорода и образование на поверхности металла ржавчины.

Кроме перечисленных процессов при ЭШЛ большое значение имеет смачивание шлаком поверхно­сти металла. Без смачивания невозможны физический контакт между металлом и шлаком и химическая очистка металла.

Десульфурация. Снижение содержания серы в металле - одна из основных задач ЭШЛ. Степень ее удаления составляет 50...75 % и зависит от исходного содержания в металле. Обычно после электрошлаковой обработки содержание серы составляет 0,005...0,01 %.

Сера в стали находится в растворе или в неметалли­ческих включениях, чаще всего в виде FeS или MnS. Элементы (С, Si, O₂) уменьшают растворимость серы в жидком железе и способствуют выделению ее в форме неметаллических включений. Процессы образования MnS и FeS происходят во время кристаллизации стали и даже в твердом железе.

Процесс диссоциации при ЭШЛ состоит из следую­щих стадий:

- диссоциация сульфидов и диффузия серы из металла и поверхности раздела "металл - шлак" [S] + (О^2--) = (S^2-) + [О];

- переход серы из металла в шлак;

- перенос серы к поверхности раздела «шлак – атмосфера»;

- окисление серы на границе шлака с атмосферой 2(S^2-)+ 3(О₂) = 2{SО₂} + (О^2-);

- отвод продуктов окисления серы от границы раздела "шлак - атмосфера".

Наиболее существенное влияние на степень десульфурации оказывает состав флюса, т.е. основ­ность шлака (CaOiSiO). Чем больше СаО, тем лучше десульфурация.

Дефосфорация. Фосфор находится в стали в виде Fe₂P и его переход в шлак происходит по реакции [Fe₂P] + 2,5[Fe²⁺] = 4,5[Fe] + (Р0₄^3-), т.е. в шлаке должен

содержаться оксид железа FeO. Приведенная реакция экзотермична и понижение температуры процесса способствует дефорсфорации. Также этому способствует достаточное количество СаО в шлаке: 2[Р] + 5(FeO) + + 3(СаО) = 3(Са₃(Р04)₂) + 5[Fe]. Однако при ЭШЛ отсутствуют значительные количества FeO и СаО в шлаке и затруднено ведение процесса при низких температурах, поэтому удалить фосфор не удается. Наиболее оптимальным решением является использо­вание электродного металла с низким содержанием фосфора.

Удаление неметаллических включений. При ЭШЛ это - наиболее сложный физико-химический процесс, зависящий от очень многих факторов. В общем случае можно считать, что неметаллические включения удаляются при ЭШЛ в результате всплывания и вслед­ствие физико-химического взаимодействия шлака и включений (особенно сульфидов). Большое значение имеет подготовка электродного металла и флюса (отсутствие внешних загрязнений, влаги, ржавчины, хорошее прокаливание флюса и т.п.).

На качество стали влияет не только количественное значение содержащихся включений, но и их морфоло­гия. При ЭШЛ неметаллические включения образуются в гораздо более мелкодисперсном виде и равномерно распределены по объему, они не образуют сегрегаций и скоплений. Именно мелкодисперсное состояние включения и их равномерное распределение по объему отливки повышают ее качество.

ЛЕКЦИЯ 9

ЛИТЬЕ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ ДАВЛЕНИЕМ

Дата добавления: 2014-01-05