автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное изучение удаления фосфора из нержавеющей стали при минимальных потерях легирующих

РГ6 Ой

- 5 НЮН №5

МАКУШИН ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ УДАЛЕНИЯ ФОСФОРА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ ПОТЕРЯХ ЛЕГИРУЮЩИХ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена и Московском Государственном институте стали и сплавов (тех iз ол ог ич ее ком у н и вере итете).

Научный руководитель: доцент, кандидат технических <1аук Семин А.Е.

Официальные оппоненты: проф., д.т.н. Cepos Г.В. гл.н.с., к.т.н. Дюбанов В.Г.

Ведущее предприятие: АО Электростали: кий завод тяжелого машиностроения

Защита состоится 29 июня 1995 года в часов на заседании

диссертационного Совета Д.053.08.01 в Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дои 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан Справки по телефону: 230-46-87

Ученый секретарь Специального Совета,

профессор, доктор технических наук <2$ Д.И.Бородин

-СО-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акту^ьч ос ту диссертационной работы. В настоящее зрек-я проблема дефосфорации высоколегированных расплавов, в частности зысокохромнстык, остается нерешенной. В то же врем« накопление фосфора 8 легированном ломе п возможное широкое вовлечение в производство ранее неиспользуемых отходов металлургических производств стимулирует поиск решения задачи дефосфорации.

Предлагаемые способы дефосфораиии с помощью обработки флюсами, при которых фосфор переводится в шлак в виде фосфата в слабоокислительных условиях или в виде фосфида в восстановительных условиях, имеют ряд существенных недостатков: значительные потери легирующих вместе' с удаляемым в шлак фосфором, активность наводимого шлака по отношению к футеровке, недостаточная экономическая эффективность из-за применения дорогостоящих материалов и оборудования и другие. В связи с этим способы дефосфорации, основанные иа применении специальных флюсов, не находят широкого промышленного применения.

Поэтому в настоящей работе предпринята попытка исследования возможности удаления фосфора из металла в газовую фазу. Такой процесс потенциально может иметь следующие преимущества перед традиционной шлаковой дефосфорацией: исключается рефосфорация, большая управляемость с помощью изменения состава, давления, температуры и других параметров газовой фазы, несложность включения в существующие технологические схемы, в частности внепечную обработку стали.

Анализ литературных данных показывает неоднозначность мнений как о возможности дефосфорации в газовую фазу, так и механизме перехода фосфора.

В работе предложен способ дефосфораиии высокохромистого расплава, включающий две стадия: на первой - перевод фосфора в шлаковую фазу, при окислительном потенциале системы, исключающем значительные потери легирующих; на второй - рафинирование шлака (при контакте с графитом) от фосфора за счет перевода последнего в газовую фазу.

Разработана методика оценки возможности удаления фосфора в газовую фазу при вакуумной обработке расплава.

Диссертация выполнена в рамках научно - исследовательской работы, проводимой Кафедрой Электрометаллургии Стали и Ферросплавов ММСиС по межвузовской программе "Новые ресурсосберегающие и экологически чистые металл уршческие технологи!)"

11слш.4шбаш является - теоретическое л экспериментальное изменив возможности дефосфорации высокохромистых расплавов за счет перевода фосфора в г,новую фазу, С учетом результатов предыдущих исследований н важноста проблемы дефосфорации высоколегированных расплавов в качестве объекта экспериментального исследования в настоящей работе выбрана сталь Х18Н10.

В диссертационной работе решены следующие задачи:

- Предложена.. математическая модель расчета кинетических параметров перехода фосфора из металлических расплавов в газовую фазу, позволяющая оценить возможность удалеиия фосфора при выдержке расплава в вакууме.

- Проведен физико-химический анализ влияния различных факторов, в частности окнс.ленности системы, температуры, состава расплава, активности решеитов на равновесное распределение фосфора между легированным хромом металлическим расплавом н шлаковой фаюй, на величину парциального давления фосфора и его соединенна в газовой фазе, на переход фосфора из хромсодержащих расплавов в газовую фазу;

- Разработана методика и экспериментально изучена возможность удаления фосфора из высокохромистого расплава типа X181110 в газовую фазу;

- Подложен механизм н определены лимитирующие параметры дефосфорации хромсодержащих расплавов за счет перевод! фосфора в газовую фазу;

- Проведены заводские эксперименты, подтверждающие возможность удаления фосфора м:» высокохромистого расплава.

Наушж лааилш Разработаны теоретические основы двухстадниного механизма перехода фосфора нз высоколегированного хромсодерясащего расплава в газовую фазу. 11а первой стадии проводится окисление фосфора и перевод его в шлаковую фазу, при окисленностн металла, характеризующейся Р0 < 10"'*'аш. что позволяет исключить значительные потери хрома. На второй

стадии осуществляется рафинирование фосфоросодержащего шлака посредством контакта последнего с графитом.

Получены количественные данные о влиянии различных параметров на удаление фосфора из легированного хромом расплава типа Х18Н10.

Разработана методика расчета перехода фосфора в газовую фазу при выдержке расплава в вакууме.

Практическая значимость. На основе полученных результатов представляется возможным разр .ботать способ дефссфсраций высокохромистых расплавов железа.

Пуйпмадзй. По теме диссертационной работы опубликовано две статьи. Основные результаты работы доложены на 10<Л Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов.

Структура и объем работу. Диссертация состоит из введения, четырех пав, выводов, список литературы из 54 наименований.

Работа итожена на страницах машинного текста, включая 43 рисунка и 13 таблиц.

Кинетическая оценка перехода фосфора из расплава в газовую фазу.

• Отсутствие надежной методики, позволяющем оценить условия, при которых процесс перехода фосфора в газовую фазу получаст наибольшее развитие, во многом осложняет проведение исследований по дефосфорации.

В работе предложена кинетическая опенка возможности перехода фосфора из металлической а газовую фазу за счет испарения в вакууме в зависимости от химического состава расплава.

Принимаем, что переход компонента из металла в газовую фазу при вакуумной обработке не лимитируется подводом из объема расплава к гидродинамическому пограничному Слою» и отводом в газовой фазе. Тогда в стационарных, условиям величина потока компонента через гидродинамический пограничный слой правка величине потока испарениями!

•1д1=1и1=1ц (П

гае ]1 - результирующий поток ¡-го компонента из расплава в вакуум, кг/См'2 с)

Поток компонента, обусловленный диффузией в пограничном слое, определяется выражением:

Jl 5М, 100%'

(2)

гае

рме - плотность расплава, кг/м ; бмс - толщина гидродинамического пограничного слоя;

- концентрация ¡-го компонента в объеме и приповерхностном слое, % <по массе); [)( - коэффициент диффузии, м2/с.

Поток компонента, испаряющегося с открытой поверхности расплава, может быть описан согласно уравнению Лангмюра:

те

К

г

f'ü

ч м„

у РЧ

"^"^т/м/ (3)

- универсальная газовая постоянная, ДжУ(маль-К);

- температура расплава, К;

- парциальное давление .¡-го газообразного соединения ¡-го компонента, Па;

ч

- коэффициент, учитывающий массовую долю ¡-го компонента в ¡-содержащим^« газообразном соединении; -

- мольная масса ^го газообразного соединения ¡-го компонента, кг/моль.

D рассматриваемых условиях принимаем, что компонент переходит из расплава в газовую фазу, как » чистом виде, так и в виде различных газообразных соединений, равновесное парциальное давление которых может быть определено в соответствии с уравнениями реакций

т[Х] -» Хпк„, (4)

mlX] + n[Y] XmYoi,), (5)

При вычислении значений Р,, использовали концент{1аиии i-го компонента в пршювсриил ип'м с.тое №)': а',= Г, • гаг f, определяли из выражения

Подставив в (I) выражения (2) и (3) и обозначив компоненты расплава через I, 2, 3,..., т, можем получить систему уравнений:

Рм* „V р.г*и

§Ме 1оо% ^ ^гшт/мц

Ь.. ([%2] - [%2]') • = У 1 1 1 ' 1 тег, ¿-1

100% Т'^ИТ/ М2) '

(б)

„„ Р^ V"' гпЧ

8Мс 100% ^ ртШ / М~

Решая систему (6), можно найти такие знамени? [9Ь1]' при которых условие (1) выполнимо одновременно для всех 1-ых компонентов расплава. Следовательно, возможно определение потоков ¡-ых компонентов расплава

В качестве показателя, характеризующего возможность перехола компонента расплава в газовую фазу, предложен коэффициент перехода, определяемый выражением

I

Коэффициент перехода К", показывает во сколько раз доля ¡-го компонента ^испаряющемся потоке превышает его массовую долю в раейлаве. При К", > 1 происходит снижение содержания ¡-го компонента в расплаве, а при К" < 1 -повышение содержания 1-го компонента в расплаве.

Таким образом, определив величину К", можно ответить на вопрос о возможности удаления фосфора из расплава при испарении в вакууме.

По предложенной методике был составлен алгоритм расчета. Расчеты проводили с использованием ЭВМ.

Ме

Проведена оценка -значений коэффициентов перехода фосфора Квр дая расплавов типа Г'е-Ро.оз5-К. Результаты расчета » виде зависимости ¡БК^р от представлены на рис.1.

К.ак видно из приведенных на рис,1 зависимостей, удаление фосфора при испарении возможно из анализируемых расплавов, содержащих и-.-лорш а кремний (за счет увеличения активности фосфора), что согласуется с экспериментальными данными рада исследователей.

Для оценки возможности дефссфорации высокохромистого расплава при испарении в вакууме был проведен расчет величины Квр для стали 08Х18Н10.

Р(1Счеты К'р, проведенные для различного химического состава, температуры, величины гидродинамического пограничного слоя, показали, что: снижение фосфора в высокохромистом расплаве типа 08Х18Н10 при испарении даже в вакууме маловероятно, что согласуется с .»¡пением исследователей по данному вопросу. Это позволило предположить невозможность осуществления дефосфорацш! путем непосредственного перевода фосфора из расплава в газовую фазу без участия промежуточной стадий (фазы).

Термодинамическая оценка возможное) « Ш'р^яода фосфора из

•исокохромнстого расш«ьа в газовую фазу через промшутичную -

шлаковую.

Для теоретической оценки возможности процесса дефосфорации за счет перехода фосфора нз легированного расплава в газовую фазу нами предложена схема, включающая две стадии. На первой стадии - фосфор наряду с другими компонентами расплава окисляется и переводится в шлаковую фазу. В качестве йкислителя целесообразно использовать газо-кислородную смесь (с целью обеспечения контролируемого окислительного потенциала), либо твердый окислитель. На второй стадии, для рафинирования шпака от фосфора, в зону образованна оксидной фазы »водится углерод » виде графита (т.е. обеспечивается контакт образовавшегося шлака, содержащего фосфор, с графитом). Предлагаемая схема перевода фосфора в газовую фазу приведена на рис.2.

ЛогаЕЭЕезфйямческая зависимость коэффициента

£ от содержания третьего

коаш©м@ита ш раснлгше Р® - 035% ^

2

О

1

у

у N1 Ж Сг

N Н

1

-3 -2 О

Рис.1

2 Ш [%1

Предлагаемая сяэма г1©р©авда фосфора з

I. Окислительная зона

графит

Аг + Н20

2[р]+ 5(РеО) = (Р203)+ 5Реж; 18 К = - 2.77

2[р]^(Сг,04) = (Р,03)+-3~[Сг]; =

а(Р)О)),3.|0-ЧЗ.!0'ЧпрИ а^, ^ 0.1)

II. Восстановительная зона

5СГ, = Р3(т) + 5СО; . К = - 48*П + 36.725 РР1 ^ ?(У2-Н0*2атм (101 + 10' Па)

Рис.2

Дня оценки осуществимости каждого этапа и установления параметров, влияющих на процесс, целесообразно физико-химический анализ рассматриваемого механизма провести по стадиям перехода - раздельно.

Первая стадия заключается в том, что высокохромистый расплав обрабатывается в слабоокислительных условиях рафинирующими смесями; газообразными - Аг+НгОщр или твердыми окислителями, содержащими оксиды железа, хрома. При использовании в качестве окислителя оксида железа первая стадия запишете» в виде (8):

2[Р| + 5(РеО) = (Р203) + 5Реж (8)

Однако доля окислителя в газовой смеси либо в шлаке должна определяться из условия незначительного окисления хрома в расплаве.

Верхние пределы значения окислительного потенциала шлака были определены исходя из начального содержания хрома в расплаве. Для высоко.хромистого расплава, содержащего 19% хрома, при 1873-1823К, активность оксидов железа в шлаке не должна превышать 0.12+0.10.

В связи о тем, что основным легирующим компонентом в исследуемом расплаве является хром, остановимся подробнее на переходе фосфора в шлак за счет оксидов хрома:

2[Р] + 5/4(Сг304) = (Р205) +33/4[Сг] ' (9)

^К(9) = ^ = -32800/Т + 13.58 (10)

1«а(РЛ>5> = -32800ЛГ+13.58-|5/41Е[Сг1-|5/4^|с.|+21К1Р)+218Г|Р]+5/41¥а,с,!о4, (И)

В работе проведено сравнение равновесного распределения фосфора между металлом и шлаком в исследуемых и обычных условиях (окислительная дефесфоракия).

Коэффициент распределения в виде отношения равновесных значений активности (¡юсфора в шлаке к его концентрации в металле при использовании в качестве окислителя оксида хрома представлен выражениями (12):

=-38800Д+13.58-,3/41£[Сг]-15/41£Г|с,г+21ЕГ|Р|+5/418а(с,«)4) (12)

-it-

Иа рис.3 представлена зависимость Lp (Lj> « от »(Сгзсн). Как видно из при-

веденные, данных, зто отношение уьгличтается от 10'12 до !0"8 при возрастании a(as<>4> с ОЛ до 1.0 для хромистого расплава при 1873К. Рамзоаеспые значения Lp существенно ниже по сравнению со значениями Lp аля традиционной окислительной дефосфорация (10"*+10"5).

Вторая стада« заключается в том, что скскдг.ая фаза йли шлак с определенной «кгнаностыо оксида фосфора погашает Eta восстановитель. В качестве восстановителя используется графит, К рассмотрению принято газообразное состояние s вике Рг(газ) так как значение его равновесного с расплавом парциального давления существенно (на 6-7 порядгоэ) превышает парциальные давления других газообразный создякеяйй фэсфор& (Р, ГО, РОг). Тогаа втору» сталям можно записать в виде следующего выражения:

(Р203) + 5С,р = Р2 + SCO (13)

JgK,!3)= = -484П/Т + 36.725 (14)

IgPp, - -48413ГГ + 36.725 - 51gPco + 1?Чтз) (15)

При взаимодействии фосфоросодержащего шлака с графитом возможен переход фосфор® как в газовую фазу, так и в металлическую. Эти процессы Moiyr быть описаны реакциями (J3) и (16)

(Р205) + 5С„ а 2[Р] + 5СО (16)

lgK<!6)= Ig!-!—u—«= -33860/Т + 37.5 (17)

В качестве параметра, характеризующего соотношение между фосфором, способным перейти в металл и в газовую фазу, примем отношение 14 ^, которое получим в результате деления выражения (13) на (16): ''

1В^ ='/21?К(!7) - |КК(Н) + Ъ^Рсо - 1/218а,рго5! - (»8)

Используя выражение (18) можно оценить влияние ряда параметров на равновесное термодинамическое распределение фосфора между металлической и

Зависимость !_р от активности оксида хрома в шлаке при различных температурах

10

-9

10

-10

10'

-Т= 1823К ! -Т= 1873К -Т= 1923К

10-

12

0.1 0.2 03 0.4 0.5 0.6

а(ОА)

0.7

'.8 0.9

Рис.3

-/з~

газовой фазой при попадании ишака на графит (по разбираемой схеме

дефосфорации). При отношении И = | (или |ЁЫ=0) термодинамические условия

1'г, Рр,

для перехода фосфора из шлака в две другие фазы (газовую и металлическую) одинаковы.

Как показал анализ, отмечается незначительное положительное влияние температуры на переход фосфора s газовую фазу.

Определяющее влияние на процесс перехода фосфора в газовую фазу может оказать снижение парциального давления окиси углерода, что вполне реально при использовании, например аргона в смесй с газом окислителем, а также увеличение активности оксида фосфора в шлаке. Однако, последний параметр во многой связан с наличием н долей легирующих элементов в расплаве..

На рис.4 показана расчетная термодинамическая зависимость, характеризующая переход фосфора в газ, либо металл при обработке шлака графитом, от активности фосфора в шлаке и парциального давления окиси углерода. Так если а^ся^^Ю"9, то при Рсо < 0.03 атм, термодинамически облегчается удаление фосфора из шлака в газ.

Исходя из термодинамической константы реакции перехода фосфора в газовую фазу из шлака следует отметить влияние на процесс таких параметров как: парциальное давление окиси углерода, температуры и активности фосфора в шлаке.

На рис.5 представлены расчетные данные, характеризующие зависимость парциального давления фосфора в газовой фазе от парциального давления окиси углерода и активности оксида фосфора в шлаке. Показано, что равновесные значения парциального давления фосфора в зависимости от параметров металлического расплава, шлака и газовой фазы (применимых для металлургической практики), могут достигать значений 10"2 +102 атм.

В качестве обобщающих результатов на рис.6 приведена зависимость парциальных давлений фосфора в газовой фазе от окислительного потенциала шлака (окислитель FeO). При этом так же показано влияние исходного содержания фосфора и температуры на принятый показатель процесса ( Pti ). Как видно m представленных на рис.6 данных, исходное содержанке фосфора и

1Р1

Из&шне&ш® отношений к-— в зависимости от

ч

активности фесфора ш шяак©

[Р]

-2

Рсо=0.5 Рс о=0.3

1

Рсо=0.1 Рсо=0.05 Рсо-О.ОЭ Рсо=0.02

Рсо=0.01

а

р2о3

Надписи у прямы» - парциальное давление окиси углерода над расплавом

Рис.4

Зависимость парциального давления газообразного фоефорн от парциального давления 6©

Зависимость равновесного парциального давления фосфора г газовой фазе от его активности в шлаке

::овышение температуры положительно влияют на процесс перехода фосфора из металла в газовую фазу через шлак. Значения равновесных парциальных давлений фосфора достигают 10°+ КРатм, что принято в качестве критерия для теоретического обоснования возможности удаления фосфора по предлагаемой схеме (металл-шлак-газ) из легированных (например хромом) расплавов в газовую фазу.

Экспериментальное исследоаакяе дефзсфорацш« высоксхрамнстых расплавов.

Исходя из предлагаемой схемы перевода фосфора из металлического расплава в газовую фазу через шлак, можно сформулировать следующие требования к лабораторному эксперименту.

-Двухстадийный механизм удаления фосфора должен быть осуществлен в одной

экспериментальной ячейке. -Для избирательного окисления фосфора рафинирующая газокислородная спесь (либо активность окислителя в шлаке (например а^о»)) должна обеспечивать окислительный потенциал системы, исключающей существенное окисление основном легирующего компонента. Применительно к расплавам, содержащим от 14 до 19'} хрома, окисленность расплава, выраженная в Р,^ не должна превышать 10'10-Ю"'2 атм соответственно. 5>го должно быть достигнуто за счет продувки ванны киспородосодержащим газом а смеси с аргоном. В качестве кпслородосодержащет газа целесообразно использовать водяной пар, степень диссоциации которого зависит от температуры расплава. -Вторая стадия прсд/шаемого механизма заключается в рафинировании образовавшегося шлака от фосфора за счет раскисления (Р2О5) графитом. В связи с этим необходимо обеспечить взаимодействие образовавшегося шлака с графитом н наиболее полный переход фосфора в газовую фазу. Можно предположить, что это реализуется если в реакционную зону поместить графитовую пластину, либо газоподводящую фурму, оборудованную графитовым наконечником, и активизировать процесс интенсивной продувкой ванны.

-ц-

Нг основании сформулированных требований была разработана методика, обеспечивающая контакт ржсплава металла с газетой фазой, ' содержащей водяной пар и дальнейшее попадание шлаковой фазы на графят.

Опытные плавки проводили в индукционных иечах вместимогп ю 5 хг с магнезитовой либо шукщоаой футеровкой. Б качестве рафинирующего реагента использовали смесь газов, состоящую из аргона (азота), либо аргона (азота) и водяного пара (на рвдг плавок - СО2), которые подавали в расилаз через фурмы с |рафитовым либо без графитового наконечника. Фурму при продувке погружали в распла® на глубину от 0 до 5 мм.. За счет наклона фурмы обеспечивали максимальное попадание образохавшегсся шлам (шлако-металлической эмульсин) на графят. Температуру металла определяли термопарой! ВР5/70 на глубине расплава порядка 20-40 мм. Образцы жтахого металла отбирали кварцевыми пробницами, пробы шлака - намораживанием на стальной стержень.

Концентрацию фосфора » металле определяли колометрическим методом.

Порядок проведения экспериментов.. Эксперименты в магнезитовом тише проводили после обжига футеровки и промывной плавки. После расплавления шихты и доведения температуры до заданной (1773-1973К), отбирали пробу металла, которая являлась исходной. Перед обработкой вакны с поверхности ' расплава удаляли шлак, образовавшийся за время расплавления и нагрева металла. Рафинирование расплава проводили в течении 2+19 мин. На большинстве плавок отбирали промежуточные пробы металла.

По описанной базовой методике в лабораторных условиях проведено более пятидесяти плавок. Примерно на 70% плавок, пройденных с полным (визуально контролируемым) соблюдением методики, получен эффект заметного снижения концентрации фосфора, Основными причинами послужившими получению отрицательных результатов могли быть;

наличие факторов (влияющих на процесс), не установленных на данном этапе исследования;

методические особенности (положение фурмы с графитовым наконечпяком, глубина погружения фурмы в металл, площадь активной "поверхности графита, плохо поддающийся контролю состав газовой фазы и другие), которые могли быть не выполнены, в связи с отсутствием соответствующего контроля.

На основании этого дли дальнейшею анализа экспериментальных результатов выносятся опытные плавки только с положительным эффектом, основные параметры приведены в табл.1.

характеризующих основные показатели опытных плавок, время обработки расплава изменялось от 2 до 19 мин, при этом степень дефосфорации достигала 62.5% (см.рис.7). Однако, возрастание степени яефосфорации при увлечении времени обработки расплава не наблюдается. Наибольшая степень дефосфорации соответствует плавкам, на которых время обработки расплава составляло 34 мин и достигала величины 50-60%. При более длительной обработке ванны, степень дефосфорации снижалась до 20-30%. Полученные данные могут быть объяснены тем, что с увеличением времени обработки расплава возрастает содержание растворенного углерода в металле, обеспечивающая в сочетании аргоно-кислородной продувкой существенное раскисление ванны и как следствие заметное снижение перехода фосфора из металлической в шлаковую фазу (первая стадия рассматриваемой схемы).

Следует отметить, что непременным условием для получения положительного результата является наличие в зоне реакции графита. На плавках, в которых вместо графитовых фурм применялись алундовые, лефосфораиия не наблюдалась. Выли проведены опытные плавки с использованием в шихте высокой) начального содержания углерода (1-4'А), которые так же не дали положительного эффекта. Такие результаты позволяют сделать вывод о необходимости графита для обеспечения рафинирования шлака от фосфора, чго подтверждает правильность принятого механизма процесса. Причем, как покати эксперименты, степень дефосфорации возрастала при увеличении поверхности графита.

Для оценки роли образовавшегося шлака в процессе дефосфорации и его возможности принять удаляемый из металл фосфор, на пяти плавках отобрали шлак на полный химический анализ. Состав шлаков приведен в табл.2

Балансовые расчеты показывают, что если принять содержание (Р2О5) в шлаке равное 0.05%, то для приема 0.024, 0.022, 0.011% фосфора, удаленного из металла, необходима кратность шлака (1.=''""7„1М1.1100%) 43%, 40%, 20% соответственно. 1) ¡к-азьиых условиях ЭК1 перимента кратность шлака не

Как видно из приведенных в табл.1, данных,

Таблица 1

Основные показатели опытов по дефосфорации _. высокохромистого расплава._

. Показатели Область изменения параметров

1.Исходная концентрация фосфора, 0,018 + 0,066

масс.

2. Исходная концентрация хрома, % 16-5-18

масс.

3. Исходная концентрация углерода, -0,20

с7с масс.

4. Температура расплава, К. 1540 + 1715

5.Расход газа носителя, л/сек. 0.08 + 0.204

6. Расход водяного пара, Нл. 0.075 + 39.663

7.Длительность обработки, сек. 120 + ¡140

Зависимость удаления фосфора

от времени продувки

Время продувки, с

Рис.7

превышала 1-2.0 % (масс.). Следовательно, маловероятно объяснение наблюдаемого эффекта дефосфорашш традиционным распределением фосфь^ч между металлом и шлаком, характеризующимся величиной фосфагкоГв либо "фосфщшой емкости (для окислительных либо восстановительных условий). Очевидно, шлак в данном эксперименте может выполнять роль промежуточной фазы, в которую

Таблица 2

Химический состав шлаков опытных плавок

№ Массовая доля, %

М^О ЗЮз А120з СаО Иеобщ МпО Сг304 Р2О5 Д[%Р]'

6 10.8 41.6 3.0 Н.З 1.1 17.3 13.4 н.б. 0.05 0.024

7 11.5 44.4 1.4 1.6 1.0 22.0 18.3 н.б. 0.05 0.022

10 18.3 40.0 3.4 20.4 0.8 8.7 6.6 н.б. 0.05 0.011

12 18.8 41.6 2.6 11.8 0.8 14.9 9.4 н.б. 0.05 0.020

20' 6.64 12.48 2.18 - 8.7 27.3 11.1 0.21 0

периодически поступает из металла фосфор, а далее шлак освобождаясь от фосфора восстанавливает свою рафинирующую способность. В этом случае определяющим может быть 9фФект |Ш' способность шлака восстанавливать свои рафинирующие свойства. На опытных плавках для этой цели нснользовллн графит. Причем, как показано выше, с увеличением удельной поверхности графита степень дефосфорацин возрастала.

Результаты нолупрамышлшиш исследований по дефосфорацин

высоквлфомнсгого металла в вщдукмиомной печи вместимостью 1 тонна.

Опытные плавки по дефосфорации высокохромистых расплавов проводили в однотонной индукционной печи копрового цеха завода "Электросталь". Индукционная печь имела основную футеровку - магнезит.

По расплавлению металлошнхты и достижения заданной температуры убирали ишак и приступали к рафинированию металла. В качестве рафинирующей смеси использовали газовую смесь, состоящую из аргона и

1 Количество фосфора, удаленного из металла 1 Удаления ''фосфора на плавке не наблюдали

-2 2 -

водяного пара, подаваемую в легированный расплав через фурму с графитовыми наконечниками. Графитовые наконечники имели различное количество отверстий диаметром 5-8 мм.

Парциальное давление пара в газовой смеси составляло 0.18 - 0.37 атм., длительность продувки 6.5-12 мин. Фурму (графитовый наконечник) заглубляли в расплав на 0-40 мм.

По описанной методике проведено пять плавок, основные результаты, которых представлены в табл.3.

Как видно из приведенных данных, на трех плавках из пяти получено заметное снижение содержания фосфора, степень дефосфорации составила 12 - 16 %. Установить причину отрицательных результатов на третьей и пятой плавках не удалось. Однако, повышение содержание фосфора на этих плавках составило 4 - 7 что может быть обусловлено точностью его определения.

На плавках наблюдали увеличение степени дефосфорации с ростом начального содержания фосфора в металле и интенсивности перемешивания ванны, также отмечали незначительное положительное влияние иа процесс повышения температуры.

Сравнивая результаты полупромышленных исследований с лабораторными, проведенными в индукционной печи вместимостью 5 кг, следует отметить, что степень дефосфорации высокохромистого расплава в малых печах существенно выше при данной схеме обработки ванны.

В табл.4 приведено сравнение результатов плавок по дефосфорации высокохромистых расплавов в печах различной вместимости.

Основными причинами, обусловившими« более низкую степень дефосфорации высокохромисты» расплавов на полупромышленных плавках можно назвать:

- низкая интенсивность продувки ванны;

- меньшая удельная поверхность взаимодействия графит-шлак (в пересчете на 1 кг обрабатываемого металла).

Таблица 3

Основные параметры и результаты опытны* плавок по асфосфорации высок охромнстых расплавов в индукционной печи вместимостью 1

томна.

Номер НЛАЛКи Врем! продувки, мин Расход гатов. л/мин Измерение химического состава металла, % 1%Р] Т, ° С

Аг Н20 [Р] [Сг] [С] [N1]

1 | исходи. 6.5 | 172 37 0.045 16.90 0.14 3) 0.007 1650

| конечн. 0.038 16.86 0.19 20.15 1650

2 1 исходи. 1 11.8 129 75 0.041 14.90 0.29 3) 0.005 1650

[ конечн. 0.036 14.80 0.34 20.73 1620

3 I исходи. 4.0 172 75 0.040' 14.80 0.34 3) -0.003 1620

' конечн. 1 0.043 14.21 0.49 20.59 1560

4 I исходи. 12.0 172 75 0.042 14.21 0.50 3) 0.006 1610

конечн. 0.036 14.32 0.60 20.84 1630

5 | исходи. 9.0 ■172 75 0.052 - 0.29 3) -0.002 1580

| ' коиечн. 0.054 16.89 3) 11.77 1640

' ЖВЬЛШ ВС проводиля

Таблныа 4

Сравнение результатов по дефосфорации высокохромистых расплавов » печах

различной вместимости

Вместимость, кг Средняя удельная реакционна« поперхналъ, мм2/кг Максимальная степень дефосфорацищ Средняя степень дефосфорации.

5 -37 ' 62.5 24.89

1000 15.36 14

Так, на лабораторных плавках интенсивность подачи в расплав рафинировочных газовых смесей примерно на порядок превышала этот параметр в заводских экспериментах. Средняя удельная величина реакционной поверхности на полупромышленных плавках примерно в 4.5 раза уступала лабораторным экспериментам.

И тем не менее, следует считать, что результаты полупромышленных плавок подтвердили приицишалыяую возможность удаления фосфора из высокохромястош расплава без значительный потерь хрома за счет обработки ванны кнслородосодержашши газовыми смести (например аргон н водяной пар), подаваемыми через графитовую фурму. Положительные результаты полупромышленных экспериментов подтверждены соответствующим актом.

пмооды

1. Б работе рассмотрен вопрос, связалый с поиском решения проблемы дефосфорации высоколегированных сталей. Отмечены основные технологические трудности, ограничивающие игарское промышленное внедрение процессов дефосфорации за счет обработки расплавоз флюсами. Показано неоднозначное мнение исследователей на процесс перевода фосфора в газовую фазу.

2. Разработана математическая модель расчета кинетических параметров перехода фосфора из металлических расплавов в газовую фазу. Используя предложенную методику расчета, проведено сравнение теоретических данцых с экспериментальными литературными, показано удовлетворительное согласование результатов по дефосфорации Ре-Р-81 и Ре-Р-0 расплавов. Это позволило рекомендовать математическую модель для анализа влияния различных параметров расплава на кинетику удаления фосфора из расплава в газовую фазу за счет испарения. Показано, с точки зрения кинетики, удаление фосфора из металлического расплава, отвечающего стали 08X181110, за счет испарения невозможно, что согласуется с выводами ранее проведенных исследований. '

3. Предложена для 'теоретической и экспериментальной оценки схема дефосфорации хромсоаержшшх расплавов, состоящая нэ двух стадий: на первой стадии фосфор пе|>еводитея в ишак при окислительном потенциале рафинирующей фазы, исключающем существенные потерн хрома; на второй стадии - обеспечивается рафинирование шлака за счет перевода фосфора в газовую фазу. Проведен термодинамический анализ процесса перехода фосфора из легированного хромом расплава в газовую фазу. Показано, что при обработке металла кислородосодержащнмн смесями в слабоокислительных условиях возможен перевод некоторой доли фосфора из хромсодержащего расплава в шлаковую фазу. Дальнейшее рафинирование шлака от фосфора, за счет взаимодействия с графитом, позволяет получить равновесные значения парциальных давлений фосфора в газовой фазе 10°- 10+2 атм. Достигаемые значения Рр} приняты в качестве критерия, подтверждающего возможность дефосфорации расплава за счет перевода фосфора в газовую фазу.

-2é ~

4. Результаты экспериментов, проведенных в лабораторной индукционной печи вместимостью 5 кг по разработанной методике, показали возможность заметного снижения фосфора в хромсодержащих расплавах. При обработке (аргоно-кислородной смесью, подаваемой через фурму с графитовым наконечником) расплава Х18Н10, в течение 2-19 мин., количество удаляемого фосфора достигало 0.027% при исходном содержании 0.05%, потери хрома не превышали 0.1+0.6%. Следует отметить, что существенное влияние иа процесс удаления фосфора оказывает площадь поверхности взаимодействия графит/шлак.

5. Опытные плавки в промышленной индукционной печи завода Электросталь с использованием графита показали снижение фосфора на 12-16% и подтвердили возможность удаления фосфора из легированного расплава. Потери хрома при этом не превышали 1 %. Сравнение результатов лабораторных плавок с промышленными показало, что значительную роль на процесс удаления фосфора из легироаанного расплава оказывает увеличение реакционной зоны, а именно поверхности контакта графита с образующимся шлаком.

Основное содержание работы опубликовано в следующих статьях: Дефосфорация легированных расплавов за счет перевода фосфора в газовую фазу / А.Е.Семин, Ю.В.Уткин, Аллам Мохтар, В.Н.Макушин, С.В.Подвинский. Оценка возможности дефосфорации расплавов в вакууме./ В.Н.Макушин, А.Е.Семин, В.В.Кудашов, В.А.Григорян // Из».вузов Черная металлургия. N 11,1992.-0.21-24.

Московский Институт Стали и Сплавов. Заказ Объем 1 пл. Тираж 100 экз.

Типография ЭОЗ МИСиС, ул.Орджоникидзе, 8/9.