РАСПЛАВЫ
6 • 2008
УДК 669.15-154
© 2008 г. М. Н. Свиридова, А. В. Кирпичников, И. Н. Танутров, Л. И. Леонтьев
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОВЕДЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ РАСПЛАВЛЕННОГО ЧУГУНА (Сообщение 1. Влияние остаточного давления)
Методом испарения со свободной поверхности расплава в вакуум исследовано влияние остаточного давления в газовой фазе (в пределах 0.4-13.3 кПа) при температуре 1350°С на скорость испарения Бе, Ое, 81, 8, Мп и Р из образцов чугунов, полученных при восстановительной плавке железогерманиевого агломерата. Получена зависимость скорости испарения от остаточного давления, учитывающая молекулярную массу испаряющегося соединения.
В ранее проведенных работах [1] были исследованы скорости испарения германия, кремния и серы из расплавленного чугуна в вакууме. Практический интерес представляет изучение влияния параметров вакуумирования на распределение элементов между чугуном, шлаком и газовой фазой, наиболее важными из которых являются продолжительность вакуумирования, остаточное давление и температура расплава. В настоящей статье изучено влияние остаточного давления.
Объектом исследований служили два образца германийсодержащих чугунов, выплавленных при восстановительной плавке железогерманиевого агломерата, следующих составов, %:
Бе Ое, г/т 81 8 С Р Мп
Образец 1 ...... 94.8 82.0 0.55 0.20 4.33 0.062 0.081
Образец 2 ...... 94.6 82.0 0.74 0.23 4.28 0.046 0.110
Эксперименты выполняли на установке, использованной в работе [1] со следующими изменениями и дополнениями. Регулировку остаточного давления (в диапазоне 0.4 Па - 13.3 кПа) проводили включением в систему подачи инертного газа натекате-ля, а в систему откачки - игольчатого вакуумного клапана. Для измерения остаточного давления в систему дополнительно включали образцовый вакуумметр. Количество уловленного конденсата определяли суммированием количеств растворенных в смеси кислот компонентов конденсата (железа, серы, кремния, германия, фосфора и марганца).
Поверхность испарения была постоянной и равной 0.14 см2/г. Известно [2], что скорость перемешивания расплавов на основе железа в индукционной печи определяется геометрическими размерами ванны металла, температурой, частотой тока и нагрузкой на индуктор. Измерения показали [3], что в вакуумных индукционных печах с высокочастотным нагревом и размерами ванны металла, близкими к использованным в настоящей работе, скорость движения металла составляет около 0.2 м/с. Это значение примерно на порядок ниже достигаемой при циркуляционном вакууми-ровании стали. Таким образом, вакуумирование металла в потоке в большей степени обеспечивает кинетический контроль процесса, чем при индукционном нагреве, а полученные в последнем случае данные можно правомерно использовать при прогнозе результатов вакуумирования в потоке.
Температуру вакуумированного расплава поддерживали равной 1350°С, варьируемыми параметрами служили остаточное давление (Рост = 0.4 Па - 13.3 кПа) и продолжительность вакуумной обработки т. Интервал варьирования последнего выбирали из [1], а интервал варьирования остаточного давления - с учетом возможностей промышленных установок вакуумирования. Во всех опытах определяли конечные составы чугуна, количества и составы конденсата. В некоторых опытах проводили также контроль состава чугуна по ходу вакуумирования.
Степени испарения а; (%) германия, кремния, серы, марганца и фосфора определяли по формуле
а; = (1- С/С0)• 100, (1)
где С и С0 - конечная и начальная концентрации компонента, %. Извлечение компонентов в конденсат (е;, %) рассчитывали по формуле
Е; = (Шк ск) / Со. (2)
Здесь тк - выход конденсата, % от массы чугуна; Ск - содержание компонента в конденсате, %; C0 - содержание компонента в исходном образце чугуна, %.
Влияние остаточного давления в изученном интервале, прослеженное при 1350°C на одном из образцов чугуна, заключалось в значительном снижении скоростей испарения (рис. 1), особенно в интервале Рост от 2.6 до 13.3 кПа (20-100 мм рт. ст.). Этот факт свидетельствует о возрастающем влиянии внешнедиффузионного торможения процесса испарения с увеличением Рост. Возрастание Рост приводит к незначительному изменению количества конденсата, снижению содержаний германия, кремния, серы и фосфора, увеличению содержаний железа и марганца (рис. 2). Влияние температуры расплава на составы металла и конденсата по германию, кремнию, сере и железу при переходе от синтетических расплавов Fe-S-Ge-Si-C^ к реальным чугунам при низких остаточных давлениях качественно близки. Отличия в составах конденсата обусловлены, по-видимому, присутствием марганца и фосфора, которые также частично испаряются при вакуумной обработке. Сопоставление степеней испарения ai и извлечения ei в конденсат компонентов чугуна показали удовлетворительное совпадение в пределах точности анализа для всех контролируемых компонентов, за исключением серы. Во всех случаях степень испарения серы значительно (на 15-20%) превышала извлечение в конденсат, что свидетельствует об образовании неконден-сируемых соединений (вероятно, CS и CS2).
Обработка данных для обоих образцов чугуна по содержаниям германия, кремния и серы в зависимости от остаточного давления показали удовлетворительное согласие с кинетической моделью реакции 1-го порядка [2]. Отличие от синтетических чу-гунов [1] заключалось в том, что отклонение от линейной зависимости ln(C/C0)j - т в исследованных интервалах концентрации примесей не наблюдалось. Полагая, что найденная модель [1] применена также для описания испарения железа, марганца и фосфора уравнения можно использовать в следующем виде:
ln ( 1- е;/100 ) = т (3)
(б; - извлечение i-компонента в конденсат, %),
B = ( 100 F/m ) kj( 1/( C0 (4)
((C0)i - начальная концентрация железа, марганца или фосфора, %).
Рис. 1. Влияние продолжительности и остаточного давления вакуумной обработки на изменение состава чугуна при 1350°С и Рост, Па: О - 0.4, ■ - 667, О - 1333; Л - 6666, • - 6666, □ - 13 332.
Экспериментальные данные по влиянию остаточного давления на константы скоростей испарения компонентов германийсодержащих чугунов удовлетворительно описываются уравнениями
1/к эфф = 1/к0 + ¥. (5)
Здесь кэфф и к0 - константы скоростей испарения при фиксированном значении Рост и в вакууме (Рост ^ 0), г ■ см 2 ■ с-1; Рост - остаточное давление, Па; ¥ - константа, завися-
сС с
О
к 2
З-О-О-
0
50
<¡»0-0 ♦
-о-
40
30
ХЛ ХЛ
20
10
4000
8000 Рост, Па
12000
16000
Рис. 2. Влияние остаточного давления на выход и состав конденсата при 1350°С для образца 1. Содержание, %: 1 - выход конденсата, 2 - Мп, 3 - Ое, 4 - Р, 5 - 8, 6 - 81, 7 - Бе.
6
4
4
3
5
6
7
0
щая от температуры и молекулярной массы испаряющегося соединения, см 2 ■ с 1 ■ Па05, равная
^ = Ь(90 940/Г -39.32) М, (6)
где Ь - константа, приближенно равная 0.27 моль ■ см-2 ■ с-1 ■ Па05 при удельной поверхности испарения в пределах 0.1-0.2 г ■ см-2 [3]; М - молекулярная масса пара, г ■ моль-1.
Практически влияние остаточного давления существенно сказывается на увеличении продолжительности вакуумной обработки (т) в пределах Рост, отвечающего условиям эксплуатации установок для достижения необходимых показателей по извлечению германия и рафинированию чугуна. В условиях интенсивного перемешивания и ограниченности температуры расплава возможность интенсификации испарения заключается, таким образом, лишь в увеличении удельной поверхности расплава и регулировании состава чугуна по кремнию и сере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Свиридова М.Н., Танутров И.Н., Леонтьев Л.И. Исследование скоростей испарения Ge, S и Si из расплавленного чугуна в вакууме. - Расплавы, 1999, < 6, с. 42-53.
2. Fruehan R.Y., Turkdogan E.T. Desulfuration of iron alloys in vakuo-free. - Met. Transactions, 1971, 2, < 3, р. 895-902.
3. БурцевВ.Т. Десорбция газа из жидкого металла в вакууме. - М.: Металлургия, 1987. -
233 с.
Институт металлургии УрО РАН Екатеринбург
Поступила в редакцию 15 июня 2008 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.