автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование процессов газовой дефосфорации расплавов на основе железа в условиях плазменной плавки за счет обработки азотом и парами углерода

на правах рукописи

Микава Жанна Михайловна

№

УДК 669.187.58.046.545.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВОЙ Д0ВОСФОРАЦИИ ; РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЕННОЙ ПЛАВКИ ЗА СЧЕТ ОБРАБОТКИ АЗОТОМ И ПАРАМИ УГЛЕРОДА

Специальность 05.16.02. - "Кеталдургяя черных металлов"

Автореферат диссертация

на соиокавие ученой отепени кандидата технических наук

Мооква 1996

Работа выполнена на кафедре електрометаллурпш отели и ферросплавов в Московском государственном институте стали и сплавов .(технологическом университете).

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент СИЫОНЯН Л.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор КАШИН В.И., кандидат технических наук, вед.н.с. ФРИДМАН А.Г.

' Ведущая организация: Московский вечерний металлургический институт

24 /О

Защита состоится .... марта 1996 г. в .... чаоов на

заседании диссертационного совета Д.053.08.01 в Московском

государственном институте отали и сплавов (технологическом

университете) по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский

проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов (технологического . университета) . '

• Автореферат разослав 'г.'.. февраля 1996 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Бородин Д.И.

-з-

_______________ , ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. - Вопрос дефосфорации высоколегированных отелей в настоящее время стоит особенно остро, т.к. содержание фосфора в отходах металлургического производства, используемых в дальнейшем переделе, непрерывно возрастает. Традиционные способы дефоофорации отали, проводимые в окислительных условиях, приводят к большим потерям легирующих. Проведение ¡¡таковой дефосфорации в слабоокислительных и восстановительных условиях не получило широкого распространения в силу ряда яедостаткдв.

Возможным решением проблемы представляется газовая дефосфо-рация высоколегированных сталей в условиях одного из. перспективных методов спецвлектрометаллурпш - плазменно-дугового переплава. " " ................. ■ ------- ----- , ^ . .. _ ,

Вопросу взаимодействия растворенного в металле фосфора с-газовой фазой посвящено относительно небольшое число работ. Результаты ряда исследований противоречат друг другу. На оегодняш-ний день, нет целостной картины о процессе дефоофорации металла путем образования летучих соединений.

Целью работы является изучение процеосов газовой дефоофорации расплавов на основе железе, протека гадах в уоловилх плазменной плавки за счет обработки активированным азотом и параш углерода.

Научная новизна. Изучено влияние ооотава газовое фазы и общего давления на кинетику дефоофорации раоплавов ее оонове железа (в том числе коррозионно-отойкой отали иарки 08Х18Н10). .

Выявлено отрицательное влияние киолорода металла на протекание процессов газовой дефосфорации.

Предложен механизм удаления, фосфора из металла в газовую

' • -4-

фазу и определены лимитирующие стадии процеооа.

Методами спектральной диагностики зафиксированы продукты взаимодействия фоофора расплава с газовой фазой (соединения РЫ, СР) в условиях плазменной плавки. ■ '

Практическая значимость. Разработаны . основы принципиально нового способа дефоофорации металла.

Апробация работы. Результаты наотоящей работы доложены на 4 научно-технических конференциях.

По результатам диссертационной работы опубликовано 3 статьи, получен патент РФ.

Структура и об'ем диосертации. Дисоертация соотоит из введения, трех глав, заключения (выводов) и списка литературы из 86 наименований. Работа изложена на 154 отраницах машинописного текста, содержит 40 риоунков и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Плазмевдо-дуговой переплав - один из перспективных методов онецелектрометаллургии, позволяющий веоти активный металлургический процеоо о помощью газовой фазы.

Это связано о о специфическими особенностями плазменного разряда,, такими как выоокая температура газового потока и оверх-активно'оть реагирующих, частиц. В условиях плазменно-дугового нагрева возможно протекание таких реакции, которые в обычных условиях оталеварения.не происходят.

Проведенный термодинамический анализ позволил предположить, что в уоловиях плазменной плавки, возможно снижение содержания фоофора в металле за счет химического взаимодействия о активными

компонентами газовой фазы с образованием летучих фосфорных соединений. Имеициеся в литературе данные, посвященные атому вопросу, малочисленны и противоречивы. - .

В предлагаемой работе рассматриваются процессы газовой дэфо-сфорации, протекающие в уоловиях плазменной плавки при обработке расплавов на основе: явлеза азотом и парами углерода. Использование спектральной диагностики позволило идентифицировать продукты реакций над поверхоотью расплава, в том числа пары фосфора и . его летучие соединения. • - -

Методика проведения экспериментов

Опытные плавки проводили в лабораторной плазменно-дуговой установке ЛПДУ. В уотановку входят: плазменно-дуговая печь, ояо-тема подачи газовой омеси, вакуумная система; оптическая сиотема. .

Основными рабочими частями плазменной-дуговой печи являются} медный водоохлакдаемый тигель (аяод) и дуговой штзиотрон. постоянного тока, но центру которого устанавливался вольфрамовый или графитовый катод.

В качестве плазмообразуюцих газов иопользовали аргон и арго-ноаэотшв смеси о различным-содержанием азота - от 0,5 до А % по об "ему. Поставщиком паров углерода в газовую фазу служил графитовый катод. ........,

Исследуемый материал представлял собой сплав железа о фосфором (1Р]Я0Х = 0.12, 0,5 и 0,7 Я) и коррозионноотойкую отель марка 08х18н10 (табл.1). Масса образца составляла около 20 г.

Плавки проводили при трех, давлениях - 0,3, 0,6 и 1,0 втм. Время плавки меняли от 15 до 420 о.

Таблица 1

Химсостав исходного металла

Содержание компонетов, X

Сг N1 Р 0 N 0 51 НП Б Уе

сплав ?е-Р(0,12*)

- 0,11-0,13|0,02-0,03|0,013|0,035|0,20 0,25 0,032 ост

сплав ?е-Р(0,7*) '

- - 0,68-0,72 !о,0245,04 |о,01410,050 - - - -

сплав Ре-Р(0,5Х)

- - 0,49-0,51 0,09-0,10 0.033 0,040 - - -- -

сталь марки 08Х18Н10

17,98 10,05 0,040 0,05 0,010 0,002 0,30 0,10 0,014

Несколько серий плавок было проведено о раокислением кусковым алюминием, загружаемым в тигель вивотв о ■ металлом. Алшиний давали в избытке в количестве -0,2-0,3 г на плавку.

Содержание фосфора в металле определяли химическим . (фотоко-лориметричесмш) методом. Углерод анализировали на приборе АН-7529,■кислород и азот - на приборе СБ-144 фирмы 1ЕК0.

Для регистрации .спектров излучения плазмы использовали спектрограф РС8-2 о плоокой дифракционной решеткой. Исследуемый учасг ток плазменного разряда проецировали на щель спектрографа пооред-отвом оптической приставки. Полученные спектры анализировали на спектропроекторе о помощью стандартных атласов железа и таблиц спектральных линий.

Результаты экспериментов-

Сплавы ?е-Р. Результаты экспериментов, отражающие . поведение фосфора в модельных расплавах Ре-Р при разных"услойиях проведения плазменной плавки, представлены на рйс.1-3.

На рис.1 приведены результаты обработки расплава железа о содержанием фосфора 0,12 % Аргоновой а аргоноазотной плазмой с использованием вольфрамового и графитового катодов..

| При переплаве на вольфрамовом катоде содержание фосфора в металле практически не меняется, оставаясь 'в области исходны значений, как при обработке аргоном, так и аргоноазотной смесью. Понижение давления с 1,0 до 0,6 атм. также не оказывает влияния на содержание фосфора в металле.

При переплаве на графитовом катоде обработка металла теми Же газами приводит к снижению содержания фосфора на 30-40 X. Раскио- . ленив расплава алюминием и добавление азота в аргоновую плазму позволяют получить . более низкие значения фосфора в металле (рио.1).

Для расплава железа о содержанием фосфора 0,7 * были получены аналогичные результаты - раскисление расплава и добавление к аргону азоте способствуют снижению содержания фоофора в металле. Увеличение доли азота в плазмообразующем газе о 0,5 до 2 X повышает степень дефосфорации (рио.2).

Понижение общего давления о 1,0 до 0,6 атм существенного влияния на удаление фосфора не оказывает, тем не менее, можно отметить, что экспериментальные точки, показывающие содержание фосфора для атмосферного давления (рио.2), "лежат ниже, чем соответствующие точки при давлении 0,6 атм.

Зависимость [Р] от т в расплаве Ïe-P(0,12JÉ)

ÍP3.X

0,13

0,11

4

0,09

0,07

0,05

0,03

во хго ISO Г, О --

W-катод С-катод, Р£= 1,0 атм

■ - ir, Pj.s 1,0 атм; Ars

а - Ar, Р£= 0,6 атм! о - Ar+Als

А - А1чШ2. Ре- 1,0 атм; M - АзчШ2;

А - А1Ч1*Нг, Р£== 0,6 атм} Й - АгчШ2+А1.

Рис.1

Кинетика удаления фосфора из расплава Ре-Р(0,7Я), С-катод

Рис.2

■ Кинетика удаления фосфора из расплава ?е-Р(0,5&). С-катод, Р~= 0,3 атм

• , 1 4, 5 - А1Ч2»12:

о, 2 - а1ча1; й, 6 - а1чда2+а1}

а. 3,- а1чо,5!ш2; x, 7 - аг+ЦЮ^, '1.0 ати 4

Рио.З

-а-

При дальнейшем понижении общего.давления до 0,3 атм степень дефосфорации уменьшается на 25 % (рио.З).

Таким образом, при атмосферном давлении фосфор из расплава уходит лучив, чем при пониженном.

На рио.З также можно видеть положительное влияние раскисления металла и, добавок азота в газовую фазу на процессы дефосфорации. ....... _

Сталь'маркй 08Х18Н10. Результаты экспериментов на : модельных ; расплавах железо-фосфор определили условия переплава коррозионно-стойкой стали марки 08Х18Н10. Расплав обрабатывали аргоноазотной плазмой ори атмосферном давлении. 8 целях избежания науглероживания переплав вели с использованием вольфрамового катода.

_ Обработка расплава стали марки 08X181110 аргоноазотной плазмой приводит к снижению содержания фосфора до 0,023 что соответствует степени дефосфорации 40 % (табл.2). Увеличение доли азота в газовой смеси о 2 до 4 % не оказывает существенного влияния на процесс дефосфорации, но приводит к большим потерям основы. В связи с втим дальнейшее увеличение содержания азота в газовой смеси представляется нецелесообразным.

Таким образом, вкспвримвнтально подтверждена возможность снижения содержания фосфора в высоколегированных отелях в условиях плазменной плавки. Поскольку на образцах после переплава не наблюдалось оксидной пленки, следует предположить, что фосфор уходит в газовую фазу. Такой переход может происходить как за счет испарения, так и химического взаимодейотвия фосфора о компонентами газовой фазы, рассмотрим отдельно эти процеооы.

Таблица 2

Экспериментальные данные плавок стали марки 08Х18Н10

Время плавки, ■ Т, 0 Потери массы,. 4т, % Содержание компонентов, %

' Р 0 N

обработка Аг + 2 % N2

30 0,07 0,03350,033 0,005 0,047

60 0,01 0,030:0,029 , 0,004 0,077

90 0,03 0,028:0,028 0,004 0,135

120 0,09 0,026:0,028 0,003 0,140.

240 0,11 " 0,027:0,027 0,003 0,235

360 0,34 0,026,-0,026 0,003 0,270

420 . 0,42 .0,024:0,022. ! 0,003 0,260

обработка Ар + 4 %

30 0,02 о.оз4;о,озо 0,006 0,071

60 0,01 о.озз:о,оз1 0,006 0,120

90 0,01 0,031:0,029 0,006 0,255

120 0,05 0,029:0,028 0,005 0,230

240 0,10 0,024;0,026 0,003 0,305

360 3,71 0,026:0,026 0,003 0,315

420 * 2,68 0,025:0,026 0,005 0,290

Испарение фосфора

Результатц многочисленных исследований- свидетельствуют о той, что путем испарения понизить содержание фоофора в расплаве на основе железа, как правило, не удается, т.к. интенсивность испарения основы выше интенсивности испарения фосфора. Однако все

Коайициент испарения фосфора

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,03 0,ОЭ ОД

Рис.4-' '

• -лети исследования отнооятся к области температур, характерных ■ для обычных условий сталеварения.

При плазменной плавке, где температуры-гораздо выше, процессы испарения протекают более интенсивно и неоднаэвдчно. Оценка . * . > коэффициента испарения фосфора (а) "показала (рис.4), что при

увеличении температуры критическое значение а =1 смещается в сторону низких содержаний фосфора (при а >1 концентрация фосфора в расплаве будет уменьшаться, при а <1 - возрастать). Для нашего случая, т.е. в области разбавленных растворов (мольная доля фосфора Кр<0,018) во всем температурном интервале 1900-2500 К о <1. Это означает, что и в уоловиях плазменной плавки понизить содержание фосфора в сталях и сплавах на основе железа путем испарения невозможно, что подтверждается результатами Переплава металла на вольфрамовом катоде в атмосфере аргона, где не происходит дефоо-форации (рис.1).

Таким образом, полученное в экспериментах снижение содержания фосфора в металле после переплава нельзя объяснить испарением фосфора. Рассмотрим другой вариант - химическое взаимодействие фосфора о компонентами газовой фазы и удаление его в виде газообразных продуктов реакций.

Взаимодействие фосфора о азотом и углеродом газовой фазы

Плазменный разряд позволяет получить в атмосфере печи такие специфические активные частицы, как N. О и СЛ. Термодинамически наиболее вероятными представляются реакции взаимодействия растворенного в металле фосфора о атомами N. О и радикалом СИ о образованием нитрида фосфора (РН) или фосфида углерода (СР):

-_ 1Р] + N - РИ

[Р] + С = СР . К2 = Рор >([Р]*Р0) , (2)

(Р1 + СН = РИ +• {С]. к3 = Ррм«[0] /([Р]*РС„) . (3)

Образующиеся в результате этих реакций летучие РЛ и СР дово-1 лшо прочные соединения о анергией связи атомов 6,4 и 5,7 ев соответственно и существуют в достаточных концентрациях > в довольно широком температурном интервале. . -

При плазменной плавке вероятность протекания этих реакций возрастает за счет ■высокого парциального давления атомарного азота, паров углерода и радикала СИ в разряде.

Известно; что концентрация атомов, азота в пограничной зоне плазмы, определяемая реакцией! ■

1/2Н2 = И . ¿й° = 473000 - 57,5*Т , Дж/моль , (4)

1ЙК4 = 1«(РМ /Р^2) = - 24748/5 + 3,0 . . ' (5)

отвечает температуре пограничной зоны, которая в 1,5-2 раза выше температуры металла. Тогда для условий Тме=2200 К, Траза = 3500 К и Рн =0,04 атм Ры будет равно 1,7*Ю-5 атм. При протекании реакции (1) в 8тих условиях можно ожидать, что коеффициент распределения фосфора мезду газовой фазой и металлом будет равен:

Рры /[Р] = К1*РН = 110»1',7*10~5 в 1,9*10"э , атм/* . (6)

-15, . к1 = ррн /(1Р]»РН) , (1)

Экспериментальное значение коэффициента распределения фосфора для условий обработки расплава стали марки 08Х18Н10 аргоно-

азотной смесью при Р^ = 0,04 атм составило в среднем

-ч 2

1,8*10 3 атм/£, что хорошо согласуется о - расчетным значением и

подтверждает сделанное предположение о химическом взаимодействии

фосфора с атомарным азотом.

При использовании графитового катода дуга горит в парах углерода, и концентрация атомов углерода в плазме разряда достаточно велика: Рс = 3*10 -7*10 атм (рассчитано на основе експе-рименталышх данных по расходу графитового катода и термодинамических данных (различных авторов) для системы графит-газ). Если допустить, что растворенный в металле фосфор взаимодействует о одноатомными парами углерода по реакции (2), то коеффицйент распределения фосфора будет равен:

Рор /[Р] = К2*Р0 = 0,8*Р0 = 2-,4*10~3-5,б*10~2 , атм/* , '(7)

где К9 - константа равновесия реакции (2) для Т=Т. =2000 К.

и МР

. Экспериментальные значения коэффициента распределения фосфора лежат в пределах 7,3*Ю~4-1,3*10~2 ати/%. Область расчетных и экспериментальных значений совпадает, что свидетельствует о возможности протекания реакции взаимодействия фосфора с атомами углерода.

При одновременном использовании графитового катода и аргоно-азотной плазмы в газовой фазе помимо атомов азота и углерода присутствует радикал (ДО, линии которого в спектре разряда" весьма интенсивны и многочисленны:

_______________________ с +• n = си , кд = рсг, /(рс*р„) - . (8)

= ■ <9>

Увеличение доли азота в плазмообразувдем газе способствует увеличению парциальных давлений Р^ и Ром (выражения 4-5, 9), что, интенсифицирует процессы газовой дефосфорации (рис.5). Так о использованием графитового катода при обработке расплава аргоновой плазмой имеется только один активный с точка зрения дефосфорации компонент - атомы углерода, и взаимодействие протекает по одной реакции (1). При введении азота в шгазыообразующий газ добавляются еще два активных компонента N и СИ, что обеспечивает протекание всех трех реакций (1-3).

Это об'яоняет - большую , степень дефосфорации расплава йри обработке его аргоноазотными смесями по сравнению о переплавом" только в аргоне на графитовом катоде.

Спектральная диагностика прианодной области разряда позволила зафиксировать соединения РЫ и СР в газовой фазе. Б атмосфере чистого аргона линии PN и СР не наблюдаются, хотя и в том, и в другом.случае наблюдаются линии Р и Р2.

При наличии активных (сточки зрения дефосфорации) частиц газовой фазы возможно связывание паров фосфора в соединения РМ и СР по реакциям:

р + н = и! , р5+ «ш = 2Ш , (10)

р + с = ср . р2+ 2с\ = гор , (11)

Зависимость коэффициента распределения фосфора меаду

газовой фазой и металлом от Р„ для сплавов Ре-Р

2

1 т % ат^; 21

18

15

12

9

б

2 4 6 8 10 12 14 16

Рн • 103, атм —

2

1 - сплав Ре-Р(0,7Я), Р^ 1,0 атм; о, 2 - сплав Ре-Р(0,7*), РЕ= о,6 атм; х, 3 - сплав Ре-Р(0,5*), Р£= 0,3 атмг й, 4 - сплав Ре-Р(0.5*), Р£= 1,0 атм: А, 5 - сплав Ре-Р(0,12Ж), р£= 1,0 атм.

**

•

■апмв »1

¿л 5 1

ф -о 2

х 3

( *

18

Рис.5

что и способствует его удалению.

На протекание втих реакций сказывается изменение общего давления - при его увеличении равновесие будет смещаться в сторону образования продуктов'реакций. Это об'ясняет наблюдаемое влияние давления на процессы дефосфорации.

Следует также отметить, что увеличение содержания азота и углерода в металле в результате плазменной плавки (для. сплавов Ре-Р в пределах 0,1 £) способствует повышению ковффициента активности фосфора. Однако, как показывают расчеты, ето влияние не столь значительно, чтобы . служить . основной причиной протекания процессов газовой дефосфорации.

Таким образом, снижение содержания фосфора в металле при плазменно-дуговом переплаве обусловлено-химичеоким взаимодействием фоофора с активными компонентами газовой фазы - О, N и СИ.

Влияние кислорода

Введение раскиолителя в расплав позволяет получить более низков содержание фосфора в.металле (рис.1-3). Это можно об'яс-нить о точки зрения поверхностных явлений. Предполагается, что фосфор удаляется из расплава за счет химического взаимодействия с активными компонентами газовой фазы на поверхности раздела металл-плазма. Логично предположить, что кислород, как поверхностно-активный элемент, препятствует занятию фосфором мест на поверхности расплава. При ^ведении■раскиолителя содержание кислорода понижается, уменьшается и доля поверхности, занятая кислородом.

освобокдая тем самым вакантные месте для фосфора. Это и об'ясняет тот'факт, что при плазменной обработке раскисленного металла содержание фосфора понижается до более низких значений по сравнению с нераскисленным.

Тормозящее влияние кислорода на процессы удаления фосфора подтверждается и экспериментальными данными при переплаве на вольфрамовом катоде, где наблюдается дефосфорация металла только с низким содержанием кислорода - стали марки 08Х18Н10, в которой кислорода порядка 0,002 %. Доля поверхности, занятая кислородом -меньше 15 %. При переплава в аналогичных условиях металла железо-фосфор с содержанием кислорода 0,035 % не происходит дефосфора-ции, т.к. кислррод занимает более 90 % поверхности, и, как показывают расчеты* отношение мольных долей кислорода и фосфора, находящихся в поверхностном слое, в 6 раз больше, чем для стали марки 08Х18Н10 . . _ ■ ..

При переплаве о использованием графитового катода происходит дефосфорация металла и о высоким исходным содержанием кислорода -порядка 0,04 %, т.к. в процессе плавки содержание кислорода снижается, что не наблюдается при переплаве на вольфрамовом катоде (табл.3). С одной стороны, вто может происходить за счет взаимодействия с углеродом, содержание которого в расплаве возрастает. С другой стороны, за.счет взаимодействия кислорода,»адсорбированного на поверхности, с парами углерода, С точки зрения термодина-, мики, раскислительная способность газообразного углерода довольно высока и сравнима с раокислительной способностью алюминия (табл. 4). Это позволяет об'яснить тот факт, что при переплаве в анало-

I

гичных условиях на вольфрамовом катоде не происходит дефосфорации металла, а на графитовом - содержание фосфора понижается на 30 %.

Таблица 3

Изменение содержания киолорода и углерода для расплавов Ре-Р

Время плавки,, т с

0 15 30 60 90' 120 180

»-катод, сплав Ре-Р(0,12£), Р^ „ - 1,0 атм

обработка Аг

10].' % 0,035 - 0.036 0,035 0,0^4 0,036 0,035

обработка Аг + 1 % и2 . - .

[0], » 0,035 - 0,038 0,036 0,035 0.037 0.038

С-катод, сплав ?е-Р(0,5Я6)

обработка Аг + 1 % Р^ = 1,0 атм

[0]. % 0,040 0,033 0,031 0,019 0,019 0.016 -

г гх 1 1 J » <* 6.090 0,117 0,145 .0,164 0,171 0,203 -

обработка Аг, = 0,3 атм

10]. % 0,040 0,036 0,031 0,023 0,022 0,020 -

[0]. % 0,090 0.091 0,093 0,128 0.151 0.167 -

. Таблица 4

Значения для некоторых реакций раскисления

- Реакция Температура К

1800 2000 2200 2400

сгаз + = 00 16,7 14.8 13,1 11,6

[0] + 0 = СО 2.7 2,7 2,6 2.6

2[А1] + 3[0] = А1203 15,4 11,8 8.9 ' 6,4 ,.. I-----

-гг-

I Таким образом, при содержаниях кислорода порядка 0,04 % плотность заполнения поверхности кислородом приближается к максимально возможной, препятствуя адсорбции'фосфора на поверхности, вследствие чего взаимодействие фосфора с компонентами газовой фазы затрудняется. По мере снижения содержания кислорода в расплаве количество вакантных мест на поверхности растет. В связи о етим представляется целесообразным в условиях плазменной плавки проводить обработку газовыми дефоофораторами предварительно раскисленного металла.

Механизм удаления фосфора из расплава

Процесс удаления фосфора из расплава можно описать следупцим образом (рис.6):

1. Образование активных частиц в газовой фазе и подвод их к зоне реакции.

2. Перенос фосфора из об'ема расплава к поверхности .

3. Испарение фосфора и . связывание его активными частицами газовой фазы. Параллельно протекают реакции взаимодействия растворенного в металле фосфора с активными частицами газовой фазы Непосредственно на поверхности раздела металл-плазма.

4. Отвод образующихся продуктов реакции в об'ем газовой

фазы.

Проведенные кинетические расчеты показывают, что процесс удаления фосфора лимитируется химической реакцией. Определенный вкепериментально второй порядок реакции указывает на то, что диффузионное сопротивление мало.

-гз-

СХЕЫА УДАЛЕНИЯ ФОСФОРА

1 - высокотемпературная зона;

2 - низкотемпературная зона.

' - .. '.Рис.6

- Из вксперименталышх данных такке видно, что более глубокая дефосфорация наблюдается на раскисленном металле. Это говорит о влиянии киолорода на протекание процесса. Как известно, кислород - поверхностно-активное вещество. Влияние поверхностно-активных веществ на протекание процесса в большинстве случаев указывает на то, что реакция протекает в кинетичеоком режиме. <

-ад-

выводы

1. Экспериментально показано, что в условиях плазменной плавки обработка расплавов на основе железа азотом и парами углерода позволяет понизить содержание фосфора в металле на 30-40 %. В качестве поставщика паров углерода в газовую фазу предложено использование графитового катода.

2. Изучено, влияние состава газовой фазы и общего давления на

Протекание процессов газовой дефосфорации. Установлено, что наи*

более предпочтительной (с кинетической точки зрения) является совместная обработка расплава азотом и парами углерода. Увеличение Р,т до 0,02 и общего давления до 1,0 атм способствует удале-2

нии фосфора.

3. Выявлено отрицательное влияние кислорода металла на протекание процессов газовой дефосфорации. Снижение содержания кислорода за счет раскисления позволяет получить более низкие содержания фосфора в металле.

4. Предложен механизм удаления фосфора из металла в газовую фазу. В изученных условиях процесс дефосфорации лимитируется химической реакцией - реакцией взаимодействия между фосфором и газовой фазой (атомами N. С и СН). Продукты этих реакций (РЛ, СР) зарегистрированы методами спектральной диагностики.

5. Разработаны основы нового способа дефосфорации металла за

счет обработки раскисленного расплаве азотсодержащими смесями при

/

плазменной плавке как на вольфрамовом, так и на графитовом катоде. Выбор конкретных условий обработки зависит от марки стали, от требований по содержанию углерода и азота в ней. Переплав на графитовой катоде приводит к науглероживанию металла в пределах 0,1 %, что не подходит для коррозионно-стойких сталей марок

08Х18Н10 и т.п. сталей о низким содержанием углерода ([0]~0,06Я5), но приемлемо для быстрорежущих марок Р6М5, Р6М5К5, шарикоподшипниковых марок ШХ15. ШХ15СГ и т.п. с высоким содержанием углерода ([С]~1$). Обработка азотом повышает содержание азота в металле, что также необходимо учитывать при выборе режима обработки для конкретной марки стали.' Например, обработка расплава газовой смесью Аг+Ид+С (графитовый катод) с целью дефосфорации подходит для получения азотированных быстрорежущих, сталей марок Р6М5,

1. Варфоломеева (Мйкава) Ж.М., Диао А.Л., Симонян Л.М., Островский O.K., Губенко С.И.,. Салиева О.Т. Кинетические закономерности поведения фосфора при плазменной плавке.// X Всесоюзная конференция по физикохпмическим основам металлургических процессов. Москва, ИМЕТ, 19912. Патент РФ 2001123С1 Ъ С21 С7/064, 1993 г. Способ дефосфорации металла./ Григорян В.А., Островский О.И., Симонян Л.М., Варфоломеева (Микава) K.M.

3. Григорян В.А., Симонян Л.М., Микава Ж.М., Ракитин Д.И. Макрокинетика рафинировочных процессов при плазменной плавке.// Республиканская научно-техническая конференция по физической химии металлических и оксидных расплавов. Екатеринбург, УШ, 1993.

4. Симонян Л.М., Микава K.M., Ракитин Д.И., Микулич Е.И., Тимощенко E.H. Поведение фосфора в расплавах на основе железа в условиях плазменной плавки.// IX Международная конференция по современным проблемам влектрометаллургии стали. Челябинск, ЧГТУ, 1995.

Р6М5К5.

Работы, опубликованные по теме диссертации.