Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Розвиток нових галузей техніки, що припадав на 50-і роки ХХ століття, коли відбувалося бурхливий розвиток реактивної авіації, створювалися великі ракети і космічні кораблі, розвивалася атомна техніка і створювалися унікальні за своїми розмірами енергетичні установки, викликало необхідність у створенні легованих сталей і сплавів, що володіють унікальними властивостями.

Вимоги до вмісту шкідливих домішок неухильно стають більш жорсткими. Відомо, що властивості сталей і сплавів в значній мірі залежать від змісту таких домішок як вуглець, сірка, фосфор, азот та інші. Особливо складною є проблема зниження фосфору в високолегованих сталях.

Потрібні досить прості процеси, які можна було б відносно просто включити в технологічну схему, і які забезпечували б високу ступінь дефосфорации, низьку вартість застосованих матеріалів.

Традиційними методами виплавки і розливання сталі не вдається досягти необхідної глибини очищення металу від шкідливих домішок. Завдання докорінного поліпшення якості легованих сталей і сплавів і додання їм комплексу унікальних властивостей була вирішена на основі очищення цих сталей і сплавів від шкідливих домішок (сірки, фосфору, кольорових металів, неметалевих включень і т.д.) шляхом переплавки в умовах високої температури при одночасному впливі шлаку, що забезпечувало глибоке очищення металу від домішок і супроводжувалося швидким і спрямованим затвердінням очищеного від домішок металу.

Електрошлаковий переплав (ЕШП) сталей і сплавів є активним металургійним процесом, у результаті якого переплавляємий метал в значній мірі очищається від шкідливих домішок, газів і неметалевих включень.

1. Актуальність теми

Відомі способи дефосфорації мають кожен свої переваги, але не забезпечують повною мірою виконання основних вимог, що пред'являються до процесу дефосфорації. Крім того, вони вимагають збільшення числа додаткових операцій з використанням спеціального обладнання, що призводить до збільшення витрат при обробці стали і зниження продуктивності.

Магістерська робота присвячена дослідженню більш економічних і якісних способів дефосфорації сталі під активними флюсами методом електрошлакового переплавлення.

2. Огляд досліджень та розробок

Видалення фосфору з високолегованих розплавів традиційними способами, що проводяться в окисних умовах недоцільно через високі витрати легкоокисних та дорогих легуючих компонентів.

Нині розглядаються переважно два напрямка дефосфорації: за допомогою спеціальних флюсів (цьому напрямку надається найбільша увага) та видалення фосфору в газове середовище (дуже обмежена кількість публікацій). Класифікація існуючих методів дефосфорації сталі приведена на малюнку 1.

Класифікація

Малюнок 1 – Класифікація існуючих методів дефосфорації сталі

В свою чергу дефосфорацію спеціальними флюсами в залежності від окисного потенціала системи поділяють на: окисну, слабоокисну і відновну [1].

2.1. Окисна дефосфорація при ЕШП

Дефосфорація при ЕШП є окисним процесом, тобто вона протікає при ЕШП так само як при звичайній плавці сталі. Розподіл фосфору між шлаком та металом пропорційний вмісту кисню в металлі (тобто чим вище кисневий потенціал шлаку, тим більша ступінь видалення фосфору). Високий кисневий потенціал шлака досягається при високому вмісту окислів заліза та кремнія, отже, дефосфорація і видалення кисню при ЕШП несумісні.

Видалення фосфору із сталі відбувається шляхом його окислення і переведення в шлак. Відбувається таке окислення при наявності в шлаку достатньої кількості СаО, що зв'язує оксиди фосфору і знижає їх активність. Цю реакцію в молекулярній формі можна записати стехіометричним рівнянням:

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO×P2O5)+5[Fe]

Коефіцієнт розподілу фосфору між металом і шлаком, а також ступінь видалення фосфору зростає із зростанням вмісту СаО, тобто основності шлака, і вміста в ньому FeO. Графічно ця залежність показана на малюнку 2.

График

Малюнок 2 – Залежність коефіцієнта розподіла фосфора від основності шлака і вміста в ньому FeO

Немає такого механізму видалення фосфору з шлаку в газову фазу, який існує для сірки, тому шлак насичується фосфором до такого рівня, при якому подальше видалення фосфору стає неможливим. У зв'язку з цим, а також необхідністю мати шлак з високим кисневим потенціалом дефосфорацію при ЕШП зазвичай не здійснюють [2].

2.2. Відновна дефосфорація з використанням алюмінію

У зв'язку з неможливістю видалення з нержавіючої сталі фосфору в фосфатній формі представляє інтерес можливість видалення його з розплаву в фосфідній формі. Такий процес забезпечував би дефосфорацію без окислення хрому.

Для дослідження можливості дефосфорації хромомістких розплавів заліза автори [3] провели серію дослідних плавок в печі Таммана в атмосфері очищеного аргону. Визначали розподіл фосфору між металом і шлаком в присутності алюмінію, вміст якого в металі визначає ступінь розкислення ванни. Результати контролю дослідних плавок показали, що збільшення вмісту в металі алюмінію до 10% не призводить до видалення фосфору в шлак. З подальшим зростанням [%Al] відбувається помітна дефосфорація.

Необхідність високого вмісту алюмінію для отримання дуже низького окисного потенціалу робить цей метод неприйнятним для сталеплавильного виробництва. Тому були досліджені інші можливості дефосфорації в відновних умовах.

2.3. Відновна дефосфорація з використанням кальцію

У дослідженні [4] в якості розкислювача був обран кальцій, який є сильним фосфідутворюючим елементом і практично не переходить в метал. Було використано те, що кальцій необмежено розчинний в своєму фториді, і для дефосфорації застосували шлак, що містить 20% Са і 80% СaF2. Експерименти проводили в печі Таммана, де в магнезитовому тиглі метал обробляли шлаком, попередньо сплавленим з металевим кальцієм в кількості 19% від маси шлака.

Досліди показали, що при обробці залізохромістого розплаву зазначеним шлаком відбувалася дефосфорація металу. При вихідному вмісті фосфору 0,1% в результаті обробки воно знижувалося до 0,065-0,091%. Ступінь дефосфорації зросла з підвищенням температури.

Можливість дефосфорації сталі металевим кальцієм в відновних умовах при підвищеному тиску була підтверджена в роботі [5]. Досліди були проведені при різних комбінаціях кальцію з CaO, CaCl і CaF2. Описані дослідження показали принципову можливість дефосфорації в відновних умовах. Однак в реальних умовах виробництва сталі застосування їх результатів неможливо.

В роботі [6] автори вивчали дефосфорацію сталі при обробці металевим кальцієм і карбідом кальцію. Визначено, що при додаванні 1% кальцію ступінь дефосфорації становить понад 65%, при 2% - понад 80%. Дефосфорація протікала ефективніше при більш низьких температурах процесу. Вміст вуглецю, що визначає температуру плавління сталі, має великий вплив на процес дефосфорації. Процес протікає більш повно при знижених температурах внаслідок інтенсивного випаровування кальцію.

В результаті лабораторних і промислових експериментів по вивченню міри використання карбіду кальцію визначено, що чим нижче вміст вуглецю в металі, тим повніше відбувається розпад СаС2 і вище ефективність його використання при дефосфорації. Встановлено, що максимальна кількість карбіду кальцію при рафінуванні металу не повинно перевищувати 10%. Однак високі витрати кальцію на випаровування робить процес дорожчим.

2.4. Дефосфорація сталі з використанням оксидів барію та натрію

В роботі [7] дослідження шлаків на основі ВаО показали, що оксид барію впливає на коефіцієнт активності Р2О5 в шлаку. Найбільш ефективними є флюси на основі ВаО - ВаF2, але висока вартість флюсу ВаО не дозволяє використовувати більше 10-20% ВаО при виробництві сталі.

Дослідниками в роботі [8] відзначається, що сполуки барію систем ВаСО3-ВаCl2, BCO3-BaO-BaCl2, BaCO3-BaCl2-Fe2O3, BaO-BaF2-Cr2O3 сприяє зниженню вмісту фосфору в розплаві до 70%.

Таким чином, флюси на основі ВаО є кращими з точки зору дефосфорації високолегованих сталей на відміну від флюсів на основі СаО, але висока вартість флюсів не дозволяє застосовувати їх в масовому виробництві [9].

В дослідженнях [10] Гуанцян Лі вивчав вплив домішок К2О і Na2О в шлаки системи SiO2-FeO-P2O5 і показав, що максимум дефосфоріючої здатності шлаку досягається при відношенні (m(CaO) + m(Na2O)) / m(FeO) рівному 1,3-1,5, причому зі збільшенням температури дефосфоріюча здатність знижується. Коефіціент розподілу фосфора становить 1,6-2,8. Але такий метод потребує використання домішок К2О і Na2O в кількості 8-10%, що значно підвищує вартість сплаву.

Висновки

Дослідження показують, що флюси на основі вапна з різними добавками мають низький коефіцієнт розподілу фосфору і досить високий окислювальний потенціал системи, і, отже, збільшують ймовірність втрат легуючих. Флюси на основі оксидів барію і соди мають високі значення коефіцієнта розподілу фосфору і більш низькі значення окисного потенціалу, але не виключають можливих втрат легуючих. З'єднання барію досить дорогі, що призводить до значного збільшення собівартості сталі. Флюси з використанням кальція та карбіду кальція крім високого коефіцієнта розподілу фосфору забеспечують найнижчі значення окислення розплаву, що виключає окислення і втрати легуючих елементів. Суттєвий недолік таких флюсів - інтенсивне випаровування кальцію при температурах металургійних процесів і, як наслідок, дуже низький коефіцієнт його використання.

Узагальнені дані по дефосфоріючим здібностям флюсів представлені на малюнку 3.

График

Малюнок 3 – Порівняння дефосфоріючих властивостей різних флюсів [1]

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: листопад 2021 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  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 Na2O and K2O on the Partition Ratio of Phosphorus between CaO-SiO2-FeO-P2O5 Slag and Carbon-Saturated Iron. MOLTEN2012. Volume 84, Issue 7, pages 687-694, July 2013