Материал: 2146

Продолжение табл. 2.2

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Теоретическая часть.

3. Исходные данные.

4. Расчет конечного содержания углерода в конце окислительного рафинирования углеродистой стали и активность кислорода в равновесии с углеродом.

5. Графическая зависимость равновесной активности кислорода от содержания углерода в расплаве.

Контрольные вопросы

1. Механизм окислительного рафинирования.

2. Основные реакции окислительного рафинирования стали.

3. Условия образования и выделения пузырьков монооксида углерода в стальном расплаве.

Работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛИКВАЦИОННОГО РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ ОТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

Цель работы – ознакомиться с методикой выбора экстрагента для очистки расплавов от металлических примесей и оценить эффективность ликвационного рафинирования расплавов от примесей железа и кремния.

Общие сведения

Экстрагированием называют извлечение вещества В из вещества А с помощью экстрагента Э, не смешивающегося с А и образующего самостоятельную фазу. При этом считается , что реагент служит растворителем, не растворяющимся в исходном растворе компонента В в А, для которых справедливо (по теории растворов) при малых концентрациях В в обоих растворах соотношение: (С_в)_а : (С_в)_э = К, где (С_в)_а – концентрация примеси (извлекаемого элемента) В в растворителе А после экстракции, (С_в)_э – концентрация примеси (извлекаемого элемента) В в экстракте, т.е. в растворителе Э, К – коэффициент распределения. Для любого вида экстракционно-ликвационного процесса важно, чтобы растворитель Э был в жидком состоянии [12].

Процесс жидкостной экстракции можно распространить и на более сложные системы, в которых происходит экстракция растворенного вещества из жидкой (металлической) фазы в твердую путем присадки экстрагирующего реагента, который образует с растворенным веществом (примесью в основном металле) твердый раствор либо химическое соединение постоянного или переменного состава.

Такую экстракцию можно назвать жидкостно-твердой экстракцией (в отличие от просто жидкостной), а протекающий при этом процесс рафинирования – экстракционно-кристаллизационно-ликвационный (ЭКЛ-процесс).

Механизм ЭКЛ-процесса, который может протекать одновременно в жидкой и твердой фазах, при очистке основного металла А от примеси В в присутствии экстрагирующего реагента Э сводится к следующим реакциям:

В жидкой фазе: А(В)_ж + А(С)  А_ж + В(С)_тв (3.1)

В жидкой и твердой фазах: А(В)_ж + С_тв  А_ж + СВ (3.2)

А(В)_ж + С_тв  А_ж + С_хВ_у (3.3)

На границе фаз: А(В)_ж + С_тв  А_ж + [С(В)]_тв.р. (3.4)

Из этих реакций следует, что в результате взаимодействия реагента С с очищаемым металлом А может быть сконцентрирована (в общем случае экстрагирована) примесь В в чистом виде (3.1), в форме химических соединений постоянного (3.2) и переменного (3.3) состава, а также в форме твердого раствора (3.4). Наличие фаз непостоянного состава является одной из предпосылок к использованию формулы экстрагирования для расчета конечных результатов ЭКЛ-процесса для одной операции [12]:

,

где Х₀ – исходная концентрация примеси В в металле А;

Х – концентрация примеси после проведения операции экстрагирования;

К – коэффициент распределения примеси между фазами ликвирующей системы;

m – масса растворителя, т.е. масса основного металла;

L – масса экстрагента.

Уместно рассмотреть два случая, при которых экстрагент не растворяется в основном металле и имеет известную растворимость, определяемую диаграммой состояния. Масса экстрагента для первого случая: L = L_э; для второго L = L₁ - L₀, где L₁ – заданное количество экстрагента для получения конечной концентрации примеси Х₁, L₀ – количество экстрагента, растворяющегося в основном металле.

Возможность применения того или иного экстрагента (присадки) обуславливается величиной его растворимости в металле и эффекивностью взаимодействия экстрагента с примесью. Большое значение имеют стоимость, дефицитность, простота введения присадки в расплав, а также ее влияние на изменение свойств очищаемого металла.

К числу ЭЛ-процессов можно отнести способы очистки металлов от примесей, при которых используется избирательная растворимость примесей или основного металла в другом металле (магниевый, цинковый и ртутный методы очистки загрязненного алюминия). Поскольку при ЭЛ-процессе могут образовываться кристаллические фазы (Al₃Fe, Mg₂Si и др.), то с понижением температуры он переходит в ЭКЛ-процесс. Примером использования в практике ЭКЛ-процесса является очистка магния от железа путем введения титана (циркония или марганца), а также очистка свинца от висмута с помощью металлического кальция.

Основные требования к реагентам для проведения ЭЛ- и ЭКЛ-процессов рафинирования металлов: как можно более низкая растворимость в основном металле; высокое сродство к примеси и способность быть легирующим элементом; оптимальная концентрация определяется величиной заданных свойств; высокая эффективность взаимодействия с примесью и возможность образования прочных химических соединений; технологичность введения в расплав и отделения образующихся фаз от очищенного металла (сплава); доступность и экономичность использования.

Ликвационное рафинирование алюминиевых расплавов от металлических примесей с помощью присадок [13]

Возможность использования для производства алюминиевых сплавов более загрязненного примесями Fe и Si марок алюминия, например, марки А7, при условии изыскания надежных способов ликвационного рафинирования с помощью специальных присадок представляет важную задачу. Важной проблемой является также изыскание способов удаления из алюминиевых расплавов неметаллических включений и особенно водорода. Наибольшее предпочтение надо отдавать комбинированным методам ликвационного рафинирования, обеспечивающим удаление из расплавов металлических примесей и неметаллических включений. Одним из методов такого рафинирования, часто сочетаемого с операцией легирования, является очистка расплавов с помощью специальных присадок.

Выбор элементов Периодической системы в качестве рафинирующих присадок для очистки алюминия от Fe и Si основан на поиске таких элементов, которые бы при взаимодействии с примесями образовывали прочные тугоплавкие фазы, не растворяющиеся в алюминии. Немаловажное значение при этом имеет характер взаимодействия отобранных элементов-присадок с алюминием.

Анализ взаимодействия железа с элементами Периодической системы показывает, что из 79 элементов -Fe образует непрерывные твердые растворы только с двумя изоморфными с ним элементами Ni и Cr. Ограниченные твердые растворы -Fe образует с шестью элементами (La, Ru, Os, Rn, Cu, Au), а только химические соединения – с Mn, Ti, Si, Zr. С 39 элементами -Fe образует ограниченные твердые растворы различной концентрации и химические соединения. Вместе с тем, железо не взаимодействует с элементами подгрупп Iа и IIа, а также с Ag, Hg, Tl, Pb, Bi. Пригодность элементов для использования в качестве рафинирующих присадок при очистке алюминия от железа оценивали отсеиванием элементов в соответствии с необходимыми (высокая взаимная растворимость элемента с железом с образованием либо твердых растворов, либо химических соединений) и достаточными (низкая или полная нерастворимость элемента в алюминии) условиями с учетом технологичности введения присадок в расплав, токсичности, дефицитности, стоимости и других индивидуальных свойств (стандартный и стационарный потенциал элементов и т.п.). По условиям отсева в качестве элементов-присадок оставлены Ti, Zr, Mn, Zn, Si, La. Практически все элементы имеют незначительную растворимость в алюминии или являются легирующими компонентами в алюминиевых сплавах.

Для очистки алюминия от Si, исходя из принятых условий и требований, оставлены в качестве рафинирующих присадок Mg, Mn, Ti, Zr, La. Титан, цирконий и марганец можно использовать одновременно для очистки алюминия от Fe и Si.

Оценка эффективности взаимодействия рафинирующих присадок с примесными элементами

Расчетные данные по очистке расплавов от примесей с помощью экстрагирующих присадок позволяют удовлетворительно оценивать эффективность рафинирования при использовании общих положений теории экстрагирования. Для проверки этой методики оценки на алюминиевых расплавах первоначально были выполнены расчеты по эффективности очистки вторичных алюминиевых сплавов от железа и кремния при введении в расплав Mn, Mg и Zn. Расчетные данные с учетом ранее отмеченных допущений получены при использовании формулы для однократной операции экстрагирования.

Исходные данные:

Температура экстракции определяется температурой ликвидуса для каждой заданной тройной системы;

Х₀ = 2% Fe (X₀ = 40% Si; 19% Si);

m = 100 г Al;

L = L₁ - L₀,

где L₁ и L₀ – соответственно масса вводимого и растворяющегося в алюминии реагента.

Таблица 3.1 – Расчетные и экспериментальные данные по очистке алюминия от примесей

Система Al-Fe-Mn (очистка марганцем)

Растворимость железа и марганца в алюминии при температуре экстракции составляет около 1,7% и 1,4% соответственно. Если предположить, что в результате экстракции железа марганцем образуется тугоплавкое соединение типа Fe_nMn_m, то содержание железа в нем колеблется от 50 до 66,7 ат.%. Тогда

.

Примем L₁ = 3,6 г Mn, тогда L = 3,6-1,4 = 2,2 г Mn на 100 г Al. При этих условиях X = 0,81% Fe.

По экспериментальным данным при введении 1,5-3% Mn содержание железа в алюминии снижается до 0,85-0,5%.

Система Al-Fe-Mg (очистка магнием)

При расчете коэффициента распределения в системе с магнием условно будем считать, что магний не растворяется в твердом железе. Тогда . Если принять, что при магниевой очистке вводится 27% магния, часть из которого растворяется в алюминии (при эвтектической температуре растворяется в алюминии около 17% Mg), то L = 27-17 = 10 г Mg на 100 г Al. При этих условиях Х = 0,16% Fe. По литературным данным, при введении 27% Mg содержание железа в алюминии снизилось до 0,2%.

Система Al-Fe-Zn (очистка цинком)

При расчете коэффициента распределения в качестве твердой фазы принята фаза Г (FeZn₃), область гомогенности которой 70-77%; состав 25% Fe, 75%Zn. Тогда .

Растворимость цинка в твердом алюминии изменяется от 82,2 до 4%. Допустим, что цинк, вводимый в алюминий при температуре экстракции, экстрагирует растворенное в нем железо так, что в твердом растворе на основе алюминия остается около 10% Zn. Тогда, если ввести в алюминий 20 г Zn, то L = 20 - 10 = 10 г Zn на 100 г Al, и конечное содержание железа в алюминии будет составлять 0,53%.

По литературным данным, при введении в алюминиевый расплав 20% Zn с последующей фильтрацией расплава при температуре, близкой к эвтектической, содержание железа понижено с 3 до 0,45%.

Между расчетными и экспериментальными данными по очистке алюминиевых расплавов имеется удовлетворительное совпадение. Полученные данные являются обнадеживающими в отношении возможности использования общих положений теории экстрагирования для описания процессов очистки алюминиевых расплавов от примесей.

Результаты расчетов, выполненных по формуле экстрагирования для сравнительной качественной оценки процесса очистки алюминия марки А7 от Fe и Si присадками различных элементов, приведены в табл. 3.2. Данные для расчета: исходное содержание Fe и Si по 0,08% (Х); масса растворителя (алюминия) m = 100 г; L = L₁ - L₀, где L₁ и L₀ – соответственно масса вводимого и растворяющегося в алюминии реагента.

Расход экстрагента (L) получен расчетами для условий перевода алюминия из марки А7 в А85. Из табл. 3.2 следует, что расход присадки-экстрагента в граммах в значительной степени определяется ее растворимостью в алюминии. Например, для очистки первичного алюминия от Fe и Si эффективнее использовать в качестве экстрагента титан, чем другие элементы. При этом, если для достижения необходимой степени очистки алюминия от железа потребуется ввести 0,35-0,40% Ti, то при использовании цинка – около 20% экстрагента. Для очистки алюминия от кремния до заданных значений потребуется, согласно расчету, еще большее количество присадок-экстрагентов. В табл. 3.3 приведены данные по изменению содержания примесей в алюминии марки А7 в зависимости от расхода присадок-экстрагентов. Практически во всех случаях эффект достигается при введении в алюминиевый расплав значительного количества экстрагентов.

Таблица 3.2 – Расчетные данные по очистке алюминия марки А7 от железа и кремния с помощью некоторых элементов

Таблица 3.3 – Изменение содержания примесей в алюминии при различном содержании масс экстрагента и примеси, %