Способ электрохимического раскисления жидкой стали, контактирующей со шлаком
СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО РАСКИСЛЕНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ, КОНТАКТИРУКЖЩЙ СО ИШАКОМ, заключающийся в пропускании электрического тока через границу их раздела так, что отрицательный полюс источника тока подведен к металлу, а положительный - к шлаку, отличающийс я тем, что, с целью экономии электроэнергии, улучшения качества стали, повьпиения производительности электролизера, перед пропусканием тока определяют концентрацию кислорода в металле и плотность тока через межфазную границу уменьшают со временем по экспоненциальному закону 4,1. Ю (г,; 19, + 0,Ь4е где М° и т - массы металла и шла (Л ка, отнесенные к площади их контакта,соответственно , концентрация кислоро- 1 да в металле, мас.%; i - плотность тока, t - время, с. О9 сд сх
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
4(51) С 2
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОНИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
« » «ф д «1
Ь а@
Е,« «
« ««"« " ° « „ ка, отнесенные к площади их контакта, соответственно, т/м ; концентрация кислорода в металле, Мас.7.; плотность тока,A/см ; время, с. (Х О) (21) 3634495/22-02 (22) 19.08.83 (46) 15.02 ° 85. Бюл. Н- б (72) А.И.Сотников, А.Н«Ватолин и В.В Нетров (71) Уральский ордена Трудового
Красного Знамени политехнический институт им. С.М.Кирова (53) 669.187.2 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР
У 846567, кл. С 21 С 5/52, 1981.
2.Авторское свидетельство СССР
Ж 529229, кл. С 21 С 5/52, 1976.
3 .Gattefier С., Ogette M. Desoxydation et DesuPuration des Metaux
1Агри1ез par Voie K1ectrochimique.—
Circ. Inform .ТесЬп. Cent doc. Sider, 1977, 34, Р 9, с. 1993-2020. (54) (57) СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО
PACKHGJIF.HÈß ЖИДКОЙ СТАЛИ, КОНТАКТИРУЮЩЕЙ СО ШЛАКОМ, заключающийся в пропускании электрического тока че« ре«з границу их раздела так, что отÄÄSUÄÄ 1339758 А рицательный полюс источника тока подведен к металлу, а положитель.ный-кшлаку, отличающийс я тем, что, с целью экономии электроэнергии, улучшения качества стали, повышения производительности электролизера, перед пропусканием тока определяют концентрацию кислорода в металле и плотность тока через межфазную границу уменьшают со временем по экспоненциальному закону где AL и е — массы металла и шпа$0) + 2f = (О ") (Ре + ) + 2Z = (уе) (3) 1 1
Изобретение относится к металлургии черных металлов, преимущественно к рафинированию стали и сплавов, и может быть использовано при уда. лении кислорода из металла под дей ствием катодного тока.
В современной металлургии процесс раскисления осуществляют присадкой в металл элементов — раскислителей с высоким сродством к кислороду.
Недостатком этого способа является образование в металле оксидных включений, ухудшающих его механические свойства.
Известен электрохимический способ раскисления, заключающийся в восста+ новлении кислорода металла до ионов
О в высокотемпературной гальванической ячейке с твердым электролитом под действием постоянного электрического тока (1 )и (2)
Однако данньгй способ является малопроизводительным и требует большого расхода электроэнергии в связи с малой проводимостью твердого электролита.
Наиболее близким к предлагаемому является способ электрохимического раскисления металла, контактирующего с жидким шлаком, заключающийся в пропускании постоянного электрическогоо тока через границу их раздела таким образом, что отрицательный полюс источника тока подведен к металлу, а положительный — к шлаку j3).
Эффект раскисления достигается sa счет протекания на межфазной границе восстановления кислорода, растворенного в металле, до иона 0 в шлаке по следующей электродной реакции:
Однако известный способ имеет не. достатки, связанные с ведением процесса раскисления при постоянной (не изменяющейся со временем) и случайно выбранной плотности тока: повышенный расход электроэнергии, малый выход по току кислорода, недостаточная скорость его удаления. Это в свою очередь приводит либо к ухудшению качества металла вследствие образования оксидных неметаллических включений (при плотностях тока, вьппе оптимальных), либо к значительному увеличению времени выдержки металла нод током для достижения заданной
139758 2 степени раскисления (плотности тока ниже оптимальной). Указанные недостатки обусловлены отсутствием в литературе надежных сведений о кинети5 ческих характеристиках процесса пере,хода кислорода через межфазную границу металл — жидкий шлак.
Цель изобретения — экономия электроэнергии улучшение качества стали, повышение производительности электролизера.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу электрохимического раскисления жидкой стали, 15 контактирующей со шпаком, заключающемуся в пропускании электрического тока через границу их раздела так, что отрицательный полюс источника .тока подведен к металлу, а положи20: тельный — к шпаку, перед запусканием электрического тока определяют концентрацию кислорода в металле и плотность тока через межфазную границу уменьшают со временем по экспоненциальному закону:
Ь10 Э о
l Ь о Mî
1f 10 4 @ о
1=19,5(/.о) е +О,Ип (21
Зп где фо и Й вЂ” массы металла и шлака, отнесенные к площади их контакта, соответственно, т/м ;
% 0) — концентрация кислорода
35 в металле, мас.%; — -плотность тока,А/см ; ь — время, с.
Сущность способа заключается в следующем.
При электрохимическом раскислении жидкого железа, находящегося в равновесии со шлаком, катодный ток расходуется не только на восстановление атомов кислорода (1), но и на осаждение ионов железа появившихся в шлаке в результате
5О реакции (Peg + (01 = (Pe +) + (0 ) . (4) Оба электродных процесса (1) и (3) протекают одновременно, скорость ,их лимитируется диффузией кислорода в металле $0) и ионов железа в шлаке (Ре +); а приграничные концентра1139758. з ции % 015 и (XFe +) связаны между собой константой равновесия (К) реакции (4):
2, СО2,К Fe (03
1!2 Г
> ц>л (О) 8 се р А (% е+) (% О), (5) 5
Обеспечить максимальную скорость раскисления с высоким КПД электроли. за удается, пропуская через межфазную границу ток, величина которого, изменяясь со временем по определенному закону, остается близкой к суммарному предельному току диффузии кислорода и ионов железа:
15 рф2 РМе о О + Я Ш" ЕЕ2
2Р (03 1ооА " 2+1 ОА (О) Fe О 2+
Fe (6) — плотность тока, A/ñM ; — постоянная Фарадея, Кл/моль;
П(, 12Fe2+ — коэффициенты диф25 фузии кислорода и ионов железа в металле или шлаке, сме /g ° — конвективная постоянная, с1 2; м > „л — плотности металла и шлака, г/см ; — молекулярные веса частиц, г/моль;
/%0), (%Fe + ) — концентрации частиц в объемах.фаз, мас.%, В этом случае объемные концентрации компонентов изменяются со временем (, с) по следующему закону:
8(. 1ООАлме (ЪО)=Р -О3 Е В(»-,» (2
5D(02 ме где
А(02 Аре2+
Ь
1ФО >>| >>> (й Ее } =(> Fe ) е.
Ее вр1 +р „
Ее2 (el
ГДЕ В И >11шл — МаССЫ МЕтаЛЛа И ме шлака, т; — площадь межфазной границы, м ; (%0)и (XFe +)о — начальные концентрации частиц в объемах фаз, мас.%;55
Объединяя выражения (6), (7) и (8) получаем окончательное соотноше1 ние:
2+ А
Fe шл (о1
3 (о) Рме" Е 2+ (9j в котором 1 — начальный суммарный предельный ток диффузии ионов железа в шлаке и кислорода в металле: (03 Fe 100А 2+
Коэффициенты, входящие в выражение (9), обычно известны или могут быть получены экспериментально. Так, для системы обычно используемого рафинировочного алюмокальциевого шлака, контактирующего с жидким железом
К 90; D(pg= 5,:3 -10 см /с; П Fe2+ =
= 2 -10Г см /с; Бме = 7 г/см ; S „=
2,9 г/см f3 -- 1 с 1> ; F
= 96500 Кл/моль; A (О.>= 16 г/моль;
А Е 2+ = .56 г/моль. Подстановка их в выражение (9) приводит к соотношению (2) .
Способ осуществляется следующим образом.
Предварительно в огнеупорный сосуд (например, .сталеразливочный ковш) с расплавленным шлаком выпускают жидкий металл, образовавшуюся шлакометаллическую эмульсию выдерживают до разделения ее на отдельные фазы, к которым подводят электроды.
Каким-либо из известных способов (например, методом отбора проб) определяют концентрацию кислорода в металле ((XOj, мас.%) или находят ее с помощью соотношения (5), зная равновесную концентрацию закиси железа в шлаке. По известным массам металла (> >>,е, т) и шлака (m»»> т) а также площади их контакта (Я,м ), рассчитывают ва ичины ф и >11О, входящие в выражение (2):
» -Мме(5»>> -møë lS
Далее к первому электроду, контактирующему с металлом, подсоединяют отрицательный полюс источника. тока, ко второму, контактирующему со шлаком — положительный и, контролируя с помощью последовательно вклю ченного в цепь амперметра величину тока (I, А), уменьшают его плотность>
S 1139 (1 =I/S, А/см ) в соответствии с рас, четной формулой (2).
На чертеже представлена схема. осуществления способа.
Пример. Способ реализуют в лабораторных условиях при электрохимическом раскислении жидкого железа, содержащего 2 ° 10-2 мас.% <01, под синтетическим шлаком, мас.%: At20 57
СаО 35 ;МяО 6; FeO 2, при 1550 С.
В ножку корундовой воронки 1, запрессованной в графитовой подставке 6, помещают столбик жидкого металла 4 (Мме= 7 10 т), отделенного
-6 от непосредственного контакта с графитом промежуточным слоем диборида циркония 5, который практически не растворяется в железе и обладает электронной проводимостью. Отрицатель ный полюс от универсального источника 2О питания (например, УИП-1) подводят к металлу 4 через вольфрамовый токоподвод 8, графитовую подставку 6 и диборйд циркония 5. Остальную часть воронки заполняют шлаком 3 (mщ„ =
= 3 .10 т), погружают в него вспомогательный электрод, выполненный в виде плоской спирали из вольфрамовой проволоки 2 и подключают к положительному полюсу источника тока. Конт->О роль за величиной тока в цепи осуществляют с помощью амперметра 7.
Выбранное большое соотношение объемов V шлака и металла (7 „ /Члле
10), а также невысокая окисленность11 последнего позволяют считать, что после достижения равновесия между фазами, концентрация закиси железа в шлаке практически не изменится (%Fe0) =2 мас.%; (%Fe2+ ) =1, 56 мас.%.. ° ° ° ° ° оэтому для определения величины %0), входящей в соотношение (2), используют значение исходноч концентрации закиси железа в шлаке: «5 3%0) =(%Fe + ) K=1,56/90=1,73.10" 2 мас.% Площадь поверхности (Sg металла со шпаком составляет 4 10 м . Следовательно, приведенные к площади кон- go такта массы металла (Y ) и шлака (m ) равны: -Ь Ф = — = =0,175 Т/м ; о мю 7Щ 4. о — =0,75 Т(м щл 3(6 5 4.(0 5 758 Далее в течение 5 мин через систему пропускают ток, величина которого изменяется со временем в соответст1 вии с предложенным законом (см.таблицу) . При этом концентрация кислорода в металле снижается в 15,5 раза (с 1, 73. 10 до 1, 1 -10 мас.%), а коли честно электричества, пропущенного через систему составляет 39,5 Кл. Ведение процесса раскисления по способу, предложенному в прототипе при постоянной плотности тока, равной начальной, т.е. 0,55 А/см, требует больших затрат электричества; за то же.время (5 мин) будет израсходовано 66 Кл. Выбранный в примере шлак практически полностью совпадает по составу с используемыми в промышленности рафинировочными известковоглиноземными шлаками. Напротив, содержание кислорода в металле в производственных условиях может изме-, няться в значительных пределах. При использовании предлагаемого способа для малых концентраций кислорода .,%0J = 1 ° 10 мас.% величнныИ „, е л и S выбраны равными 0,3 т; 0,02 т и 1 м . Режим изменения тока, рассчитанный в соответствии с (2), приведен в таблице. 3а время электролиза 7 мин концентрация кислорода в металле уменьшается с 1.10"2 до 1, 06 ° 10 мас.% (в 9,4 раза) . Количество затраченного электричества при этом составляет 67,8 Кл, т.е. приблизительно вдвое меньше, чем по способу, принятому за прототип— 134,4 Кл. При использовании способа для повышенных концентраций кислорода (%03 = 0,15 мас.% при тех жеМ, rn „ и S, концентрация кислорода уменьшается в 25 раз (с О, 15 до 6, 1 10 мас,%) за 10 мин при затратах электроэнергии 1172 Кл. Использование для раскисления постоянного тока (= 4,8 А/см ) увеличивает расход электричества до 2880 Кл (см.таблицу) + Использование предлагаемого способа электрохимического раскисления жидкого металла, контактирующего со шпаком, обеспечивает по сравнению с базовым объектом(прототипом)максимальную скорость удаления кислорода при .высоком КПД электролиза и минимальных затратах электроэнергии. По. 1139758 пожительный эффект достигается за счет выбора режима электролиза, при котором обеспечен максимальный дифПлотность тока по ходу электролиза, А/см, при концентрации (70), мас.Х (Х03 1-1О (ХО) 1,73 10 fXO) 0,15 4,8 0,32 0,55 3,8 0,25 0,41 0,33 3,0 0,2 2,5 0,16 0,28 2,0 0,25 0,13 1,6 0,23 0,11 0,09 1,3 0,23 0,07 0,93 0,78 0,67 ВНИИПИ Заказ 228/20 . Тираж 553 Поддисиое Филыал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная,4 Время электрол иза, 7., мин фузионный поток кислорода к межфазной границе и устранено влияние фоновых процессов.
