Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Развитие новых отраслей техники, которое приходилось на 50-е годы ХХ столетия, когда происходило бурное развитие реактивной авиации, создавались крупные ракеты и космические корабли, развивалась атомная техника и создавались уникальные по своим размерам энергетические установки, вызвало необходимость в создании легированных сталей и сплавов, обладающих уникальными свойствами.

Требования к содержанию вредных примесей неуклонно ужесточаются. Известно, что свойства стали и сплавов в значительной степени зависят от содержания таких примесей как углерод, сера, фосфор, азот и другие. Особенно сложной является проблема снижения фосфора в высоколегированных сталях.

Требуются достаточно простые процессы, которые можно было бы относительно просто включить в технологическую схему, и которые обеспечивали бы высокую степень дефосфорации, низкую стоимость применяемых материалов.

Традиционными методами выплавки и разливки стали не удается достичь необходимой глубины очистки металла от вредных примесей. Задача коренного улучшения качества легированных сталей и сплавов и придания им комплекса уникальных свойств была решена на основе очистки этих сталей и сплавов от вредных примесей (серы, фосфора, цветных металлов, неметаллических включений и т.д.) путем переплава в условиях высокой температуры при одновременном воздействии шлака, что обеспечивало глубокую очистку металла от примесей и сопровождалось быстрым и направленным затвердеванием очищенного от примесей металла.

Электрошлаковый переплав (ЭШП) сталей и сплавов является активным металлургическим процессом, в результате которого переплавляемый металл в значительной степени очищается от вредных примесей, газов и неметаллических включений.

1. Актуальность темы

Известные способы дефосфорации имеют каждый свои достоинства, но не обеспечивают в полной мере выполнения основных требований, предъявляемых к процессу дефосфорации. Кроме того, они требуют увеличения числа дополнительных операций с использованием специального оборудования, что приводит к увеличению затрат при обработке стали и снижению производительности.

Магистерская работа посвящена исследованию более экономичных и качественных способов дефосфорации стали под активными флюсами методом электрошлакового переплава.

2. Обзор исследований и разработок

Удаление фосфора из высоколегированных расплавов традиционными способами, проводимыми в окислительных условиях нецелесообразно по причине высоких потерь легкоокисляемых и дорогостоящих легирующих компонентов.

В настоящее время рассматриваются в основном два направления дефосфорации: с помощью специальных флюсов (этому направлению уделяется наибольшее внимание) и удаление фосфора в газовую среду (весьма ограниченное количество публикаций). Классификация существующих способов дефосфорации стали приведена на рисунке 1.

Классификация

Рисунок 1 – Классификация существующих способов дефосфорации стали

В свою очередь дефосфорация специальными флюсами в зависимости от окислительного потенциала системы подразделяются на: окислительную, слабоокислительную и восстановительную [1].

2.1. Окислительная дефосфорация при ЭШП

Дефосфорация при ЭШП является окислительным процессом, т.е. она протекает при ЭШП так же, как и при обычной плавке стали. Распределение фосфора между шлаком и металлом пропорционально содержанию кислорода в металле (т.е. чем выше кислородный потенциал шлака, тем больше степень удаления фосфора). Высокий кислородный потенциал шлака достигается при высоком содержании окислов железа и кремния, следовательно, дефосфорация и удаление кислорода при ЭШП несовместимы.

Удаление фосфора из стали происходит путем его окисления и перевода в шлак. Происходит такое окисление при наличии в шлаке достаточного количества СаО, связывающего оксиды фосфора и понижающего их активность. Эту реакцию в молекулярной форме можно записать стехиометрическим уравнением:

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO×P2O5)+5[Fe]

Коэффициент раcпределения фосфора между металлом и шлаком и следовательно, степень удаления фосфора увеличивается с повышением содержания СаО, т.е. основности шлака, и содержания в нем FeO. Графически эта зависимость показана на рисунке 2.

График

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента рапределения фосфора от основности шлака и содержания в нем FeO

Не имеется такого механизма удаления фосфора из шлака в газовую фазу, какой существует для серы, поэтому шлак насыщается фосфором до такого уровня, при котором дальнейшее удаление фосфора становится невозможным. В связи с этим, а также необходимостью иметь шлак с высоким кислородным потенциалом дефосфорацию при ЭШП обычно не производят [2].

2.2. Восстановительная дефосфорация с использованием алюминия

В связи с невозможностью удаления из нержавеющей стали фосфора в фосфатной форме представляет интерес возможность удаления его из расплава в фосфидной форме. Такой процесс обеспечивал бы дефосфорацию без окисления хрома.

Для исследования возможности дефосфорации хромсодержащих расплавов железа авторы [3] провели серию опытных плавок в печи Таммана в атмосфере очищенного аргона. Определяли распределение фосфора между металлом и шлаком в присутствии алюминия, содержание которого в металле определяют степень раскисленности ванны. Результаты контроля опытных плавок показали, что увеличение содержания в металле алюминия до 10% не приводит к удалению фосфора в шлак. С дальнейшим ростом [%Al] происходит заметная дефосфорация.

Необходимость высокого содержания алюминия для получения очень низкого окислительного потенциала делает этот способ неприемлемым для сталеплавильного производства. Поэтому были изучены другие возможности дефосфорации в восстановительных условиях.

2.3. Восстановительная дефосфорация с использованием кальция

В исследовании [4] в качестве раскислителя был выбран кальций, который является сильным фосфидообразующим элементом и практически не переходит в металл. Было использовано то обстоятельство, что кальций неограниченно растворим в своем фториде, и для дефосфорации применили шлак, содержащий 20% Са и 80% СaF2. Эксперименты проводили в печи Таммана, где в магнезитовом тигле металл обрабатывали шлаком, предварительно сплавленным с металлическим кальцием в количестве 19% от массы шлака.

Опыты показали, что при обработке железохромистого расплава указанным шлаком происходила дефосфорация металла. При исходном содержании фосфора 0,1% в результате обработки оно понижалось до 0,065–0,091%. Степень дефосфорации возросла с повышением температуры.

Возможность дефосфорации стали металлическим кальцием в восстановительных условиях при повышенном давлении была подтверждена в работе [5]. Опыты были проведены при различных комбинациях кальция с CaO, CaCl и CaF2. Описанные исследования показали принципиальную возможность дефосфорации в восстановительных условиях. Однако в реальных условиях производства стали применение их результатов не представляется возможным.

В работе [6] авторы изучали дефосфорацию стали при обработке металлическим кальцием и карбидом кальция. Определено, что при добавлении 1% кальция степень дефосфорации составляет более 65%, при 2% – более 80%. Дефосфорация протекала эффективнее при более низких температурах процесса. Содержание углерода, определяющего температуру плавления стали, имеет большое влияние на процесс дефосфорации. Процесс протекает более полно при пониженных температурах вследствие интенсивного испарения кальция.

В результате лабораторных и промышленных экспериментов по изучению степени использования карбида кальция определено, что чем ниже содержание углерода в металле, тем более полно происходит распад СаС2 и выше эффективность его использования при дефосфорации. Установлено, что максимальное количество карбида кальция при рафинировании металла не должно превышать 10%. Однако высокие потери кальция на испарения удорожает процесс.

2.4. Дефосфорация стали с использованием оксидов бария и натрия

В работе [7] исследования шлаков на основе ВаО показали, что оксид бария оказывает сильное влияние на коэффициент активности Р2О5 в шлаке. Наиболее эффективными являются флюсы на основе ВаО – ВаF2, но высокая стоимость флюса ВаО не позволяет использовать более 10-20% ВаО при производстве стали.

Исследователями в работе [8] отмечается, что соединения бария систем ВаСО3-ВаCl2, BCO3-BaO-BaCl2, BaCO3-BaCl2-Fe2O3, BaO-BaF2-Cr2O3 способствует снижению содержания фосфора в расплаве до 70%.

Таким образом, флюсы на основе ВаО являются более предпочтительными с точки зрения дефосфорации высоколегированных сталей в отличие от флюсов на основе СаО, но высокая стоимость флюсов не позволяет применять их в массовом производстве [9].

В исследованиях [10] Гуанцян Ли изучал влияние добавок К2О и Na2О в шлаки системы SiO2-FeO-P2O5 и показал, что максимум дефосфорирующей способности шлака достигается при отношении (m(CaO)+m(Na2O))/m(FeO) равном 1,3-1,5, причём с увеличением температуры дефосфорирующая способность снижается. Коэффициент распределения фосфора составил 1,6-2,8. Но такой метод требует использования добавок К2О и Na2O в количестве 8-10%, что существенно повышает стоимость сплава.

Выводы

Исследования показывают, что флюсы на основе извести с различными добавками имеют низкий коэффициент распределения фосфора и достаточно высокий окислительный потенциал системы, и, следовательно, увеличивают вероятность потерь легирующих. Флюсы на основе оксидов бария и соды имеют высокие значения коэффициента распределения фосфора и более низкие значения окислительного потенциала, но не исключают возможных потерь легирующих. Соединения бария достаточно дороги, что приводит к значительному увеличению себестоимости стали. Флюсы с использованием кальция и карбида кальция помимо высокого коэффициента распределения фосфора обеспечивают самые низкие значения окисленности расплава, что исключает окисление и потери легирующих элементов. Существенный недостаток таких флюсов – интенсивное испарение кальция при температурах металлургических процессов и, как следствие, очень низкий коэффициент его использования.

Обобщенные данные по дефосфорирующим способностям флюсов представлены на рисунке 3.

График

Рисунок 3 – Сравнение дефосфорирующих свойств различных флюсов [1]

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: ноябрь 2021 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Зубков, Ю.Ю. Дефосфорация высоколегированных расплавов с целью вовлечения в производство отходов металла и шлака с повышенным содержанием фосфора: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.16.02) / Ю.Ю.Зубков. – Москва, 2008. – 28 с.
  2. Воробьев, А.А. Электрошлаковый переплав: учебн. пособие / А.А.Воробьев, Ю.В.Повидаев. – Новокузнецк: СибГНУ, 2002. – 116 с.
  3. Петрухин, С.Н., Григорян В.А., Стомахин А.Я. и др. // Изв.вузов. Черная металлургия. – 1975. – №3. – С. 76-80
  4. Петрухин, С.Н. Дефосфорация расплавов железа фторидным шлаком с добавкой кальция / С.Н.Петрухин, В.А.Григорян, А.Я.Стомахин и др. // Изв.вузов. Черная металлургия. – 1977. – №5. – С. 65-67
  5. Энгель Г.Ю., Келор М., Фляйшер Г.И. // Черные металлы. – 1984. – №9 – С. 23-30
  6. К. Kitamura, М. Funazaki, Y. Iwanami. Production of low phosphorous stainless steel by reducing dephosphorization process. // ISIJ Int. 1984. vol. 24 p.631.
  7. C. Nassaralla, R. J. Fruehan, and D. J Min. A Thermodynamic study of dephosphorization using BaO-BaF2, CaO-CaF2, BaO-CaO-CaF2 systems // Metal. Transactions. 1991. vol. 33B
  8. Gardis, L. E. K. Holappa Dephosphorization of stainless steel. A literature survey. Helsinki University of Technology of Process of Metallurgy. Otaniemi, 1987.
  9. Акимов, Е.Н. Получение низкоуглеродистого феррохрома совмещенным алюмино-силикотермическим процессом: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.16.02) / Е.Н. Акимов. – Челябинск, 2014. – 106 с.
  10. Guangqiang Li, Chengyi Zhu, Yongjun Li, Xiongyuan Huang, Min Chen. The Effect of Na20 and K20 on the Partition Ratio of Phosphorus between Ca0-Si02-Fe0-P205 Slag and Carbon-Saturated Iron. MOLTEN2012. Volume 84, Issue 7, pages 687-694, July 2013