1.2 Особенности редкофазной обновительной плавки.
Выполненный анализ имеющихся данных показал, что использование оксидовмістких материалов для выплавки сплавов достаточно эффективно. Плавка отмеченных материалов, каким бы методом она не осуществлялась, - это комплекс отдельных процессов. Среди них в случае переработки разных шламов, доменных и сталеплавильных шлаков, кузнечной и прокатной окалины, рудного сырья и другого важнейшее значение имеют: нагревание шихты и диссоциация химических соединений; взаимодействие восстановителей и оксидов металлов; розплавлювання составляющих шихты с образованием первичных расплавов; растворение более тугоплавких компонентов в первичных расплавах; разделение продуктов плавки; распределение ценных компонентов между продуктами плавки.
Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры и интенсивности масо- и теплообмену, а производительность агрегатов в целом определяется порою, потраченным в завершение самой медленной стадии.
Нагревание шихты лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев больших кусков шихты через сравнительно низкую теплопроводимость материалов шихты протекает относительно медленно и может быть ускорен лишь уменьшением размеров кусков.
Реакции взаимодействия восстановителя, например, углерода и оксида металла являются экзотермическими процессами и протекают на границі раздела фаз.
Большие данные, известные из литературы и практики, подтверждают, что собственный химический акт процесса окисления углерода при высоких температурах протекает крайне быстро.
Процессы образования металлического расплава и шлакообразования протекают в две стадии: розплавлювання легкоплавких составляющих шихты и растворения больше тугоплавких веществ в этих расплавах.
Шлакообразование, как правило, начинается после розплавлювання металлической составной шихты и происходят более медленно, потому что для большинства оксидов шихты температура плавления выше железа. При ограниченных температурах в плавильном агрегате особенно важного значения приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах. Процессы растворения являются диффузионными и потому протекают значительно медленнее процессов розплавлювання легкоплавких компонентов.
Образование шлаков в плавильных печах начинается, как правило, из получения легкоплавкой эвтектики, например, оксидо-сульфідних эвтектики, и больше сложных многокомпонентных легкоплавких композиций.
Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, является выплавка ферросплавов, в которых лимитирующими стадиями являются коалесценция металлических капель и разделение металла и шлаков. Достаточно эффективным приемом ускорения коалесценции капелек металла является перемешивание шлаков с металлическим расплавом, который образуется при плавлении шихты.
В это время интенсивно ведутся работы по созданию технологий получения сплавов из оксидных материалов методом рідкофазного возобновления металлов и являются достаточно убедительные данные, которые подтверждают эффективность этого способа плавки[8].
Следует отметить, что под руководством Ванюкова A.B. на основании многолетних теоретических исследований металлургических процессов, изучения строения и физико-химических свойств расплавов, закономерностей разделения фаз и путей снижения потерь металлов осуществленные работы по созданию процесса плавки сульфидного сырья в расплаве, названного плавкой в жидкой ванне.
Установлено, что при растворении возобновленного элемента из оксида металла в металлическом расплаве наступает изменение величины энергии Гиббса системы и большее полное возобновление оксида за счет уменьшения активности возобновленного элемента при переходе его в раствор. Уменьшение общей энергии системы при образовании раствора снижает температуру возобновления ведущего элемента и затрату электроэнергии на возобновление. При этом больше низкая активность ведущего элемента уменьшает парциальное давление пары возобновленного элемента, а, следовательно, его потери с газовой фазой. В металлическом растворе за счет уменьшения активности компонентов снижается степень взаимодействия элементов с монооксидом углерода, а сокращение вторичного карбідоутворення увеличивает выдержку ведущих элементов, улучшая условия протекания металлургических процессов в печи за счет уменьшения количеству шлаков, его вязкости и потерь металла с шлаками.
Рассмотренные особенности процессов плавки шихты в плавильных печах и характер протекания металлургических процессов в рудовідновлювальних печах в некоторой степени могут быть перенесены на процесс рідкофазної обновительной плавки. Однако они не раскрывают механизм процесса плавки, при котором протекающие физико-химические процессы имеют свои особенности и содержат в себе, : термическое разложение сложных соединений; возобновление оксидов металлов; плавление шихты и образование шлаков; разделение металлической и шлаковой фаз.
Известно, что период плавления шихты и, в первую очередь, окатышей и других оксидовмістких материалов в дуговой печи, характеризуется многообразиям процессов масо- и теплопередачи, обусловленных действием как теплотехнических, так и технологических факторов. Под технологическими факторами имеется в виду совокупность физико-химических процессов, которые сопровождают плавление, : обезуглероживание ванны; шлакообразование, окисление металла кислородом атмосферы печи и другое.
Из теории сталеплавильных процессов известно, что при введении железной руды в шлаки увеличивается в нем содержимое оксида железа (Fe2O3). Последний при взаимодействии с корольками металла, которые удерживаются в шлаке, а также с железом на поверхности раздела металл-шлак возобновляется к оксиду (Fe) по реакции
(Fe2O3)+[Fе] = 3(FеО) (1.1)
Оксид железа FеО шлака окисляется также к оксиду Fe2O3 при взаимодействии с кислородом печной атмосферы :
2(FеО) + 1/2 {О2} = (Fe2O3) (1.2)
В результате протекания реакций (1.1) и (1.2) происходит увеличение содержимого оксида железа FеО в шлаці.
Как известно, оксиды металлов могут быть возобновлены углеродом. Этот процесс является одним из основных методов, применяемых в металлургии при выплавке металлов, сплавов и ферросплавов.
Окисление углерода в железоуглеродистом расплаве оксидами FеО являются гетерогенной реакцией и состоит из следующих стадий:
- переход оксида FеО из шлака в металл;
- взаимодействие между оксидом FеО (кислородом) и углеродом с выделением монооксида углероду (СО) в виде пузырьков в атмосферу печи.
Переход оксида железа FеО из шлака в металл сопровождается увеличением концентрации кислорода в слое металла, который граничит с шлаками, и уменьшением концентрации FеО в слое шлака, который граничит с металлом. В дальнейшем имеет место диффузия кислорода и оксида FеО в объеме металла и шлака, который протекает с малой скоростью. Однако интенсивное перемешивание жидкой ванны печи волдырьками СО, которые выделяются при взаимодействии между оксидом FеО и выравнивание слогов металла и шлака.
Увеличение содержания FеО в шлаке, уменьшение концентрации кислорода в металле, увеличения температуры металла и уменьшения вязкости шлаков увеличивают скорость перехода оксида железа FеО из шлака в металл.
В соответствии с существующей теорией, при взаимодействии углерода с оксидами металлов важная роль принадлежит процессам перехода оксидов в парообразное состояние и переноса пар на поверхность возобновления. В этом случае основным восстановительным агентом является твердый углерод, на поверхности которого и протекают реакции возобновления оксидов. К особенностям вуглетермічних процессов, которые протекают в Fе -С расплаве, стоит также отнести возникновение реакций карбідоутворення, что получают подавляющее развитие при достаточно высоких температурах. Как правило, в процессе карбідоутворення появляются промежуточные оксикарбідні растворы, которые представляют собой фазы переменного состава с широкой областью гомогенности.
При использовании в качестве восстановителя углерода одной из причин, которые усложняют протекание восстановительных процессов, есть вторичное карбідоутворення, что происходит за счет окисления уже возобновленных элементов монооксидом углерода газовой фазы. При этом кроме первичного карбідоутворення, что происходит за счет термодинамического более вероятного возобновления оксидов к карбидам (Sі, Mn, Fе и др.), образуется дополнительное количество карбидов, что в ряде случаев приводит к образованию дополнительного количества шлаков с высоким содержанием карбидов. Такие шлаки выходят гетерогенными с высокой вязкостью, которая является причиной увеличенного количества корольков металла в них и, следовательно, уменьшение выдержке ведущих элементов и осложнения протекания восстановительных процессов, связанных с образованием значительного количества шлаков в печах.
Так, например, исследования реакций взаимодействия монооксида углерода и шихты, составленной из оксида кремния и металлической части, представленной Mn, Fе и др., показывают, что при температурах 1673-2073 К сначала происходит вторичное карбідоутворення. При этом Fе переходит в Fe 3С, - в SіС, Mn - в Mn 7С3, потом начинается взаимодействие карбидов с оксидами.
При уменьшении активности возобновленного элемента (Sі, Mn, Fе и др.) вторичное карбідоутворення протекает в меньшей степени. Этим определяется позитивная роль металлического расплава при редко фазном возобновлении оксидов металлов.
При плавке в дуговых и плазменных печах в приелектродній области дуги на поверхности металлической ванны наблюдается высокий перегрев жидкого металла.
Наличие градиента температуры в жидкой ванне и выделения газообразных продуктов реакции в результате взаимодействия углерода с оксидом металла способствует созданию интенсивных потоков расплава, которые убыстряют протекание процессов тепло- и масопереноса.
При редко фазной восстановительной плавке физико-химические процессы, которые протекают в жидкой ванне, содержат в себе: термическое разложение сложных соединений; возобновление оксидов металла; плавление шихты и образование жидких фаз; разделение металлической и шлаковой фаз.
0 комментариев