Способ изготовления фильтрующего узла для сорбционного рафинирования металлических расплавов

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к процессам рафинирования металлических примесей, в частности, от кислорода и азота. Цель изобретения - повышение качества металла за счет увеличения скорости и глубины рафинирования. При изготовлении фильтрующего узла нанесение оболочки из твердого электролита на гранулы активного металла и разогрев осуществляют одновременно в атмосфере растворенного газа при температуре более 1000°С, но менее температуры плавления до образования на поверхности активного металла пленки твердого электролита толщиной 100-200 мкм. В качестве атмосферы может использоваться окислитель, азот или аммиак. Гранулы сначала можно разогревать и выдерживать в окислительной атмосфере, а после охлаждения до комнатной температуры вновь разогревать и выдерживать в атмосфере азота или аммиака. Использование режима позволяет увеличить скорость и глубину рафинирования. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, конкретно к процессам рафинирования металлических расплавов от растворенных неметаллических примесей, в частности от кислорода и азота. Цель изобретения - повышение качества металла за счет увеличения скорости и глубины рафинирования. При нагреве активного металла в атмосфере примеси и выдержке при высокой температуре (более 1000^оС, но менее температуры плавления) происходит взаимодействие активного металла с примесью из газовой фазы с образованием на поверхности металла пленки соответствующего соединения - оксидной или нитридной. В качестве активного металла целесообразно использовать такой, который при окислении и азотации образует соединения, обладающие ионной по кислороду и соответственно азоту проводимостью. После образования на поверхности металла пленки оксидов или нитридов, обладающих кислородной или азотной проницаемостью, через фильтр проливают рафинируемый расплав. Содержащийся в расплаве кислород или азот в ионной форме диффундирует через оксидную или нитридную пленку к активному металлу, вступая с ним в химическое взаимодействие и образуя на поверхности раздела активный металл - оксидная (нитридная) пленка новую порцию оксидов или нитридов. В результате в процессе рафинирования расплава происходит превращение активного металла в твердый электролит (оксидный или нитридный). При этом количество активного металла уменьшается. Этот процесс продолжается до полного превращения активного металла в его оксид или нитрид, на образование которых расходуется кислород или азот, содержащиеся в рафинируемом расплаве, что приводит к рафинированию расплава от этих примесей. Если активный металл сначала нагреть до высокой (более 1000^оС, но менее температуры плавления) температуры и выдержать в окислительной атмосфере до образования оксидной пленки толщиной порядка 100-200 мкм, а затем охладить до комнатной температуры, то в результате разной величины коэффициента линейного расширения металла и образовавшегося оксида произойдет растрескивание и частичное отслаивание оксидной пленки от поверхности металла. При последующем нагреве и выдержке металла в азотсодержащей атмосфере на оголенной поверхности металла происходит образование нитридов. В результате часть поверхности активного металла окажется покрытой оксидной пленкой, а часть - нитридной, обладающими соответственно анионной по кислороду и азоту проводимостью с существенно разной долей электронной составляющей проводимости. В контакте таких частиц активного металла с кислород- и азотсодержащим расплавом будет происходить одновременное удаление из расплава кислорода и азота: кислорода через участки оксидной пленки, а азота - через участки нитридной пленки. Одновременное удаление из расплава кислорода и азота повышает проницаемость каждой пленки по отношению к соответствующей примеси, так как при этом в твердом электролите протекает закорачивающий электpонный ток. Благодаря этому компенсируется разность электрических потенциалов, возникающих между активным металлом и рафинируемым расплавом, препятствующая движению ионов. Вследствие этого скорость одновременного рафинирования расплава от кислорода и азота одной частицей активного металла, покрытой участками оксидной и нитридной пленками, выше, чем при раздельном рафинировании от каждой примеси. Предложенный способ изготовления фильтрующего узла для сорбционного рафинирования металлических расплавов от растворенных примесей, в частности, предусматривает совмещение операций нанесения оболочки из твердого электролита на гранулы активного металла и разогрева фильтрующего узла перед обработкой металлического расплава. Нанесение оболочки осуществляют путем окисления или азотации гранул непосредственно в фильтре при температуре более 1000^оС, но не менее температуры плавления до образования на их поверхности соответственной оксидной или нитридной пленки толщиной 100-200 мкм. Температура во время выдержки гранул в фильтре для образования пленок должна быть не менее 1000^оС, так как при меньшей температуре образование пленок происходит медленно и требует больших выдержек, но менее температуры плавления активного металла. Образование пленок непосредственно в разогреваемом перед проливом расплава фильтре исключает растрескивание и отслаивание пленок от металла при нагреве и охлаждении сорбента. Малая толщина и равномерное распределение пленки по поверхности обеспечивает высокую проницаемость пленок для примесей, т.е. обеспечивает значительное повышение скорости рафинирования. Толщина пленки должна быть не менее 100 мкм, так как при меньшей толщине пленка не обладает достаточной прочностью и может быть смыта потоком металла. При толщине пленки более 200 мкм снижается ее кислородо- и азотопроницаемость, что увеличивает необходимое для рафинирования время нахождения сорбента в контакте с расплавом и снижает эффективность рафинирования фильтрующего узла. Еще более высокую скорость рафинирования обеспечивает формирование на отдельных участках поверхности частичек активного металла оксидной и нитридной пленок. При этом не только удаляются одновременно две примеси, но и каждая из них диффундирует через соответствующий участок пленки быстрее, чем при раздельном рафинировании. Способ изготовления осуществляется следующим образом. Из огнеупорных трубы, сеток, сливного стакана и воронки собирают фильтрующий узел. Внутрь трубы помещают кусочки губки или стружки (гранулы) активного металла. Узел нагревают до температуры более 1000^оС, но менее температуры плавления и выдерживают на воздухе или в атмосфере азота (аммиака) до образования на поверхности гранул соответственно оксидной или нитридной пленки толщиной 100-200 мкм. Для проверки рафинирующих свойств узла параллельно в плавильном агрегате выплавляют металлический расплав. Расплав из печи непосредственно или через промежуточное устройство проливают через фильтрующий узел. В процессе прохождения расплава через фильтрующий узел кислород (или азот) из расплава диффундирует через оксидную (нитридную) пленку и вступает во взаимодействие с активным металлом. Отрафинированный расплав через сливной стакан сливается в приемную емкость. При необходимости одновременного рафинирования расплава от кислорода и азота операции проводят в той же последовательности, однако гранулы активного металла сначала окисляют до образования окисной пленки толщиной порядка 100-200 мкм, охлаждают, а затем вновь нагревают в атмосфере азота или аммиака и выдерживают до образования в зоне растрескивания и отслаивания окисной пленки слоя нитридов также толщиной 100-200 мкм. П р и м е р. На базе печи Таммана собрали фильтр для сорбционного рафинирования металла. В качестве гранул активного металла использовали стружку циркония и титановую губку. При рафинировании расплава от кислорода фильтрующий узел разогрели до температуры 900-1200^оС и выдержали 30 мин на воздухе. В индукционной печи расплавили 50 кг мягкого железа, нагрели до температуры 1600^оС и пролили через фильтрующий узел в изложницу. При фильтровании отобрали пробы металла из приемной воронки и изложницы, в которых контролировали содержание газов и металлов-раскислителей. Результаты анализов представлены в таблице. Аналогичным образом провели рафинирование расплава от азота. Однако в этом случае фильтрующий узел разогревали до температуры 1100^оС и выдерживали в атмосфере азота в течение 25 мин, а металлический расплав предварительно раскислили алюминием из расчета введения 150 г алюминия на 50 кг расплава. Для совместного рафинирования расплава от кислорода и азота фильтрующий узел нагрели в окислительной атмосфере до температуры 1100^оС, затем сразу охладили до комнатной температуры и вновь нагрели уже в атмосфере азота. При температуре 1100^оС узел выдержали в атмосфере азота 25 мин, после чего через него пролили металлический расплав. В аналогичных условиях провели сравнительные эксперименты, в которых в качестве сорбента использовали гранулы из тех же активных металлов, заключенные в оболочку из твердого электролита. Оболочки из твердого электролита в этом случае наносили методом погружения гранул в шликер, приготовленный из порошков твердого электролита с последующей сушкой и обжигом оболочки при температуре 900^оС. Во всех случаях после прогрева фильтра и выдержки из него извлекали часть сорбента, изготавливали из последнего шлиф и на микроскопе определяли толщину оксидной или нитридной пленки. Результаты определений толщины пленки приведены в таблице. Результаты определения содержания газов в металле до и после фильтра свидетельствуют о рафинировании металлического расплава соответствующими сорбентами, причем скорость рафинирования при использовании предложенного способа выше, чем при использовании гранул с предварительно нанесенной оболочкой из неметаллической матрицы.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО УЗЛА ДЛЯ СОРБЦИОННОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ, включающий изготовление сорбентов в виде гранул из металла, активного к растворенным газам, нанесение оболочки из твердого электролита, сборку фильтрующего узла, загрузку сорбентов в фильтрующий узел и предварительный его разогрев, отличающийся тем, что, с целью повышения качества металла за счет увеличения скорости и глубины рафинирования, нанесение оболочки из твердого электролита на гранулы активного металла и разогрев осуществляют одновременно путем выдержки собранного фильтрующего узла с помещенными в него гранулами при температуре более 1000^oС, но менее температуры плавления активного металла в атмосфере растворенного газа до образования на поверхности активного металла пленки твердого электролита толщиной 100-200 мкм. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы выдерживают и разогревают в окислительной атмосфере. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы разогревают и выдерживают в азоте или аммиаке. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулы разогревают и выдерживают сначала в окислительной атмосфере, после чего охлаждают до комнатной температуры и вновь разогревают и выдерживают в азоте или аммиаке.