Науглероживание расплавов железа

Процесс растворения углерода в расплавах железа имеет боль­шое практическое значение в связи с широким распространени­ем так называемых «синтетических» чугунов. Производство отли­вок из синтетических чугунов, выплавляемых с использованием в шихте повышенного количества стального лома, оказалось эко­номически и экологически выгодным. Однако в процессе пере­плава дешевых стальных, отходов требуется существенно повысить содержание углерода в расплаве.

В общем виде процесс растворения углерода с поверхности на- углероживателя в расплаве железа можно представить в виде схе­мы, изображенной на рис. 11.

На схеме косой штриховкой обозначен науглероживатель, по поверхности которого со скоростью v движется расплав железа. В слое толщиной 8 характер движения расплава ламинарный (т. е. траектории движения струек металла параллельна одна другой). Выше ламинарного слоя характер движения потока расплава тур­булентный, что обозначено завихренными стрелками.

В слое с ламинарным характером движения массоперенос углерода от одной струйки расплава к другой про­исходит так же, как в неподвижной жидкости, путем диффузии. Поэтому этот слой называют ламинарным диф­фузионным.

Рис. 11. Схема процесса на­углероживания

Массоперенос углерода в турбулент­ном слое осуществляется с большей скоростью, чем в ламинарном. Поэто­му в целом скорость процесса растворения углерода в расплаве определяется скоростью массопереноса в ламинарном диффузи­онном слое и описывается уравнением:

(8.17)

где С — концентрация углерода в расплаве; т — время науглеро­живания; F — площадь поверхности контакта расплава с наугле- роживателем; V— объем науглероживаемого металла; D — коэф­фициент диффузии углерода, зависящий от химического состава и температуры расплава; 8 — толщина ламинарного диффузион­ного слоя, зависящая от кинематической вязкости расплава и ско­рости его движения по поверхности науглероживателя; / — коэф­фициент качества науглероживателя (его значения равны: для гра­фита электродного — 0,95; для кокса — 0,32; для антрацита — 0,29); С_н — концентрация насыщенного раствора углерода в рас­плаве.

Численное значение С_н зависит от температуры расплава и от его химического состава и определяется эмпирической формулой

С_н = 1,30 + 2,57 • I0~³t-0,31Si - 0,37Р - 0,22S - 0,1 lCu +

+ 0,03Mn + 0,075Cr + 0,15Ti +0,1V. (8.18)

Два первых слагаемых уравнения (8.18) характеризуют раство­римость углерода в чистом железе при температуре °С, а после­дующие — влияние легирующих элементов. Из формулы следует, что при температуре 1550 °С в расплаве чистого железа может ра­створиться 5,28 % С. Введение в расплав 1 % Si приводит к умень­шению С_н до 5,28 - 0,31 = 4,97 %.

Результаты исследований кинетики растворения углерода в расплаве железа позволяют оптимизировать режимы науглерожи­вания при плавке чугуна в разных печах.

Взаимодействие футеровки с расплавами шлакаи металла

Многообразные процессы взаимодействия расплавов металла и шлака с футеровкой можно подразделить на пять видов, описы­ваемых соответствующими типовыми реакциями.

1. Переход оксидов из футеровки в шлак в результате оплавле­ния футеровки⁴:

. (Me О)(Me О).

2. Оплавление футеровки в результате химического взаимодей­ствия оксидов футеровки с оксидами шлака и образования лег­коплавкой соли. Ярче всего это взаимодействие проявляется меж­ду кислой футеровкой и основным шлаком:

(Me О) + (Ме'О) -> (Me О • Ме'О).

2. Взаимодействие оксидов легирующих элементов с оксидами шлака и футеровки (эти взаимодействия рассмотрены в подразд. 8.4. «Закономерности угара элементов в кислых и основных печах»):

[Me О] + (Ме'О) -> (Me О • Ме'О),

[Me О] + (Ме'О) -> (Me О • Ме'О).

2. Восстановление оксида футеровки основным металлом рас­плава. Примером этого взаимодействия является реакция восста­новления кремнезема кислой футеровки при плавке алюминие­вых сплавов:

3<Si0₂> + 4[А1] = 2(А1₂0₃) + 3[Si]

или в общем виде восстановление оксида футеровки легирующим элементом расплава

(Me О) +[Ме_и] = (Ме_п О) + [Ме].

Примером такого взаимодействия является так называемая ти­гельная реакция.

В процессе плавки железоуглеродистых сплавов в печах с кислой футеровкой нередко наблюдается увеличение содержания крем­ния в расплаве — пригар кремния.

Этот пригар является результатом взаимодействия углерода, со­держащегося в чугунах и сталях, с кремнеземом кислой футеровки и кислого шлака. Взаимодействие описывается тигельной реакцией:

<Si0₂> + 2[С] = [Si] + 2{СО}Т - Q,

Движущей силой этой эндотермической реакции (-Q) является только энтропийный фактор (об увеличении энтропии в результа­те реакции свидетельствует увеличение количества газов на 2 моль).

Из этого следует, что реакция может протекать только при высоких температурах, способствующих возрастанию восстанав­ливающей способности углерода.

Другим важнейшим условием ее протекания является раскис- ленностъ металла. В нераскисленном металле углерод будет восста­навливать железо из FeO.

Анализ уравнения тигельной реакции с позиций закона дей­ствующих масс показывает, что полноте ее протекания способ­ствуют: 1) высокая концентрация углерода в расплаве; 2) низкая концентрация кремния в нем; 3) низкое парциальное давление СО над зеркалом металла.

Протекание тигельной реакции приводит к разрушению футе­ровки, поэтому в большинстве случаев в ходе плавки следует по возможности учитывать приведенные выше соображения для уменьшения разгара футеровки.