Техника металлургического эксперимента
Линчевский Б.В.
Наука, 1979 г.
ОБМЕННЫЕ РЕАКЦИИ МЕЖДУ ЖИДКИМ МЕТАЛЛОМ И ШЛАКОМ
Вопросы равновесия между металлом и шлаком различного состава являются важнейшей составной частью теории металлургических процессов. В работах по исследованию равновесия между металлом и шлаком выясняют природу шлака, распределение компонентов металлической ванны между металлом и шлаком, определяют окислительную способность шлака, его влияние на десульфурацию, дефосфорацию металла, очищение от неметаллических включений и т. п.
В лабораторных условиях ванну металла покрывают слоем шлака исследуемого состава, выдерживают в неизменных условиях до наступления равновесия. Затем отбирают пробы металла и шлака и подвергают их химическому анализу. В этом методе имеют место взаимодействие шлака с материалом тигля и окисление металла атмосферой.
Для устранения взаимодействия шлака с тиглем последний изготовляют из материала, компоненты которого входят и в состав шлака. Например, для определения активности закиси железа в шлаке из FeO, МnО, SiO2, MgOи определения равновесия между шлаком и металлом плавки вели в тигле из окиси магния и кремнезема. При исследовании равновесия между доломитом, шлаком и железом тигель изготовляли из доломита. При изучении равновесия железа с алюминатными расплавами опыты проводили в корундовых тиглях. Распределение фосфора между расплавленным железом и известковым шлаком изучали в известковом тигле, для изготовления которого применяли обожженную' известь, или в тигле из три- либо тетракальцийфосфата. Для плавки углеродистых сплавов чаще всего употребляют графитовые тигли.
Чтобы избежать контакта расплавленного шлака со стенками тигля, применяют вращение тигля. При этом более тяжелый, чем шлак, металл образует вогнутую поверхность, и шлак собирается в центре, не соприкасаясь со стенками тигля. Этот метод ускоряет наступление равновесия благодаря активному перемешиванию шлака с металлом.
В печи Таммана вращение графитового тигля с металлом и шлаком производили со скоростью 80 об/мин.
Для создания большей контактной поверхности между металлом и шлаком ось печи была наклонена. Кроме того, в тигель через графитовую крышку вводили мешалку. Внутри мешалки высверлено отверстие для измерения температуры с помощью термопары или оптического пирометра. Более сложным является устройство вращающейся индукционной печи. Внутри неподвижного индуктора вращается корпус печи с магнезитовым тиглем со скоростью от 3 до 10 об/мин.
Для предохранения металла и шлака от окисления опыты обычно проводят под атмосферой Ar, Ν2, СО или СO2. Для создания восстановительной атмосферы в печи можно использовать графитовый цилиндр, внутри которого на графитовой подставке-блоке помещают тигель. Благодаря окислению графита при нагреве в атмосфере печи содержится некоторое количество СО, предотвращающее окисление металла. Для подобных исследований пригодны печи сопротивления с графитовыми трубчатыми нагревателями.
При исследовании взаимодействия металла со шлаком в индукционной печи отрицательным моментом является разность температур металла и шлака. Шлаки в индукционной печи холоднее металла. Для подогрева шлака в тигель сверху вставляют графитовый шаблон. В шаблоне имеется отверстие для отбора проб, измерения температуры, подачи нейтрального газа для предотвращения окисления металла и шлака. С целью ускорить взаимодействие металла со шлаком в кварцевую индукционную печь помещают графитовый тигель для расплавления 200 г шлака. В этот большой тигель на графитовой подвеске опускают малый тигель с пробой металла 6 г. Шлак и металл нагревают отдельно. По достижении заданной температуры металл опускают в шлак. В конце опыта тигель с металлом поднимают и закаливают его в холодной зоне печи. Затем металл и шлак анализируют.
Распределение компонентов между металлом и шлаком изучали в ЦНИИчермете с помощью метода последовательного насыщения. Сущность метода состоит в том, что на поверхность металла, расплавленного в магнезитовом тигле при заданной температуре, подается малыми порциями шлак, содержащий, например, изотоп серы. Шлак впитывается стенками магнезитового тигля, установленного в магнезитовом стакане с магнезитовой засыпкой, а изотоп серы частично поглощается металлом. Прореагировавший шлак уходит через стенки тигля в магнезитовую засыпку и не взаимодействует со стенками тигля. После введения определенного количества шлака в металле достигается концентрация серы, равновесная со шлаком данного состава. В пробах металла, отобранных по ходу плавки, измеряют активность радиоактивного излучения. Когда активность в пробах становится постоянной, считают, что равновесие установилось.
Для изучения распределения фосфора и серы радиоактивные добавки того или иного компонента можно вводить в шлак и путем отбора проб и последующего их просчета фиксировать наступление равновесия. Например, тигель печи был сделан из магнезита с двумя сообщающимися отверстиями для устранения перемешивания металла и шлака. В одном отделении плавили металл и шлак, в другом — только
металл. Добавку изотопа производили в металл и шлак. Пробы отбирали только в одном месте для устранения перемешивания.
Для изучения кинетики перехода, распределения элементов между металлом и шлаком, а также для определения лимитирующего звена важно устранить перемешивание шлака с металлом. Подобную задачу можно осуществить в специальном магнезитовом тигле c двумя сообщающимися отделениями. Вниз помещают металл. В одно из отделений выше уровня сообщающегося канала вводят шлак. В другом отделении на поверхность металла присаживают радиоактивную серу. Это позволяет устранить попадание серы в шлак и перемешивание металла со шлаком. Специальная выемка сбоку тигля позволяет отбирать пробы шлака с одной глубины без перемешивания металла со шлаком.