Термодинамічні особливості зневуглецьовування складнолегованих розплавів, що містять ніобій

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Термодинамічні особливості зневуглецьовування складнолегованих розплавів, що містять ніобій

Кім Є.К., к.т.н., доцент

Анотація

переплавлення хром ніобій рафінування

Наведені результати термодинамічних досліджень процесу зневуглецьовування складнолегованих розплавів, що містять ніобій. Визначено, що глибина зневуглецьовування таких розплавів визначається, головним чином, хромом але при цьому на цей процес помітно впливає ніобій. Для отримання низьких концентрацій вуглецю в сталі за технологією переплавлення відходів, що містять хром і ніобій, доцільно переводити цей процес у вакуум. Це забезпечуватимуть селективне зрафінування розплаву від вуглецю до низьких його концентрацій (<0,10%) при максимальному використанні хрому і ніобію із шихтових матеріалів.

Annotatіon

The results of the thermodynamic studies of the decarburization processes of the complex-alloy melts, which contains the niobium are shown in article. It is determined that depth of the decarburization such melts is defined, mainly, chromium but herewith on this process noticeably affects the niobium. For reception low concentration carbon in steel on remelting technology of the waste containing chrome and niobium reasonable to translate this process in vacuum. This provides the selectivе refining of melt with carbon under maximum use of chromium and niobium from fusion mixture material.

Серед легуючих елементів, які застосовуються в металургії для виплавки легованих сталей і сплавів, суттєве значення належить ніобію. Але цей легуючий елемент є одним із найбільш коштовних легуючих компонентів сталей. Його відносна вартість у порівнянні з вартістю заліза становить як 800 до 1 [1]. Це у значній мірі визначає високу собівартість сталей, які містять ніобій. Тому максимальна утилізація ніобію при виплавці сталі в електропечах методом переплавки з використанням легованих відходів, які містять ніобій, має важливе значення.

З літератури [2] відомо, що ступінь корисного використання ніобію із легованого скрапу при електроплавці разом з урахуванням його відновлення із шлаку становить приблизно 50%. Зниження втрат ніобію можна досягти як удосконаленням технології розкислення шлаків окислювального періоду, які містять ніобій в окисленому стані внаслідок обробки розплаву стисненим киснем для видалення вуглецю з розплаву до необхідних концентрацій, так і шляхом попередження його окислення при зневуглецоьвуванні. Очевидно, що другий шлях є більш оптимальний.

У цьому дослідженні зроблена спроба оцінити термодинамічні можливості зневуглецьовування хромонікелевих розплавів, які містять ніобій, з метою визначення теоретичних умов, які забезпечуватимуть селективне окислювальне рафінування таких розплавів від вуглецю до низьких його концентрацій, що забезпечуватимуть отримання марочного його вмісту у виплавлюваній сталі без втрат хрому і ніобію із шихтових матеріалів.

Відомо, що, як хром, так і ніобій характеризуються доволі високою хімічною спорідненістю до кисню [3] і, крім того, вони значно знижують термодинамічну активність кисню і вуглецю у розплавах на основі заліза [4]. Тому, присутність у розплаві кожного з цих елементів окремо і , тим більше, разом призводить до суттєвого погіршення термодинамічних умов його зневуглецьовування шляхом окислювального рафінування.

Для з'ясування термодинамічних умов зневуглецьовування хромонікелевих розплавів, які містять ніобій, були використані такі рівняння і термодинамічні залежності:

[С] + [О] = СО(г); (1)

lgK1=+ 2,003; [5] (1а)

(2)

(2а)

(3)

; (3а)

NbO2= [Nb] + 2[O]; (4)

lgK4 = - +11,364 [3]. (4а)

У наведених вище рівняннях для процесу взаємодії ніобію і кисню ми обмежились урахуванням тільки реакції (4), хоча ніобій утворює також оксиди NbО та Nb2О5. Це зроблено тому, що згідно роботі [3] утворення оксиду Nb2О5 можливо при концентраціях ніобію менше 0,10 %, а NbO - лише при високих його концентраціях. Тому урахування реакції (4) при виконанні термодинамічних розрахунків для з'ясування теоретичних можливостей зневуглецьовування складнолегованих розплавів стабілізованих ніобієм промислових хромонікелевих сталей , які містять приблизно від 1 до 2 % ніобію, є цілком обґрунтованим.

Підсумкову реакцію взаємодії між NbO2 і вуглецем на основі рівнянь (1) і (4) можна записати таким чином:

NbO2 + 2[С] = [Nb] + 2СО(r); (5)

lgK5 = lg (5а)

Результати термодинамічних розрахунків за рівняннями (3а) і (5а) наведені на рис. 1 у вигляді двох поверхонь, що перетинаються між собою по лінії ЕF, де поверхня ABCD - це геометричне місце рівноважних з хромом концентрацій вуглецю в присутності в розплаві ніобію, а A'B'C'D' - геометричне місце рівноважних з ніобієм концентрацій вуглецю в присутності хрому в розплаві. Лінія перетину ЕF поверхонь ABCD і A'B'C'D' розділяє систему вуглець-хром-ніобій на дві концентраційні області, у межах яких мінімально досяжна концентрація вуглецю визначається або хромом (поверхня ABFE), або ніобієм (поверхня C'EF).

При виконанні термодинамічних розрахунків були враховані такі температурні залежності параметрів взаємодії вуглецю на вуглець(е, r) та числові значення параметрів взаємодії інших елементів, що входять до хімічного складу розплаву, на вуглець [4]:

е=+0,0581; (6)

r=+0,0026; (7)

е=-0,34; е=-0,024;

е=0,012; е=-0,06.

З рис.1 можна зробити висновок, що для більшості нержавіючих сталей, які містять до 2 % ніобію, рівноважні умови процесу зневуглецьовування визначаються, головним чином, вмістом хрому (поверхня ABFE), але з урахуванням впливу ніобію на активність вуглецю. Наприклад, при концентраціях у розплаві 1,5% ніобію і 10% хрому рівноважні з цими елементами концентрації вуглецю становлять ~ 0,17% і 0,42% відповідно, а при тій же концентрації ніобію і 15 %хрому - 0,22% і 0,70% відповідно, тобто рівноважні з хромом концентрації вуглецю значно вищі ніж з ніобієм.

Крім того, результати розрахунків, які наведені на рис.1, свідчать про те, що перехід процесу зневуглецьовування у режим, коли мінімально досяжна концентрація вуглецю при окислювальному рафінування визначається вмістом ніобію навіть при дуже низькому вмісті хрому в розплаві (5%) відбувається при концентрації ніобію ~ 2,1%.

Тому, для з'ясування термодинамічних можливостей зневуглецьовування складнолегованих розплавів нержавіючих сталей, що містять, менше 2% ніобію, а хрому ~18%достатньо розглянути рівноважні з хромом концентрації вуглецю з урахуванням додаткового впливу ніобію на термодинамічну активність вуглецю.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.1 Діаграма рівноваги вуглецю з хромом в присутності в розплаві ніобію за рівнянням (3а) (поверхня ABCD) і ніобієм у присутності хрому за рівнянням (5а) (поверхня A'B'C'D') при Т=1873К і Рсо=1·105 Па

На рис.2 наведені розрахункові (за рівнянням (3а)) рівноважні концентрації вуглецю в залежності від вмісту хрому (криві 1,2,3) при трьох різних концентраціях ніобію у розплаві 0;1 і 2% відповідно при температурі 1600оС і тиску ~1·105 Па (1атм). Наведені дані свідчать, що присутність ніобію у розплаві суттєво утруднює рафінування його від вуглецю. Крім того, мінімально досяжна концентрація вуглецю при розглянутих умовах (1600оС, 1·105 Па) знаходиться на дуже високому рівні і такі параметри процесу не забезпечуватимуть глибокого зневуглецьовування без зниження концентрації хрому. Але переведення процесу у «вакуум» значно поліпшує умови зневуглецьовування. Це ілюструється рівноважними кривими 1', 2' і 3', які отримані за рівнянням (3) при концентраціях ніобію 0;1 і 2 % відповідно, температурі процесу 1600оС і тиску Рсо=1·104 Па (0,1атм). Наведені дані свідчать, що при зниженні тиску до 1·104 Па, тобто переведенні процеса у «вакуум» створюються умови для селективного рафінування високолегованого розплаву від вуглецю до концентрацій, що наближуються до 0,10%. Але ступінь впливу ніобію на рівноважні по відношенню до хрому концентрації вуглецю в цих умовах залишається суттєвою, що добре видно на рис.3.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис. 2 Залежність мінімально досяжних концентрацій вуглецю від вмісту хрому в розплаві за рівнянням (3а) при трьох різних концентраціях ніобію і двох значеннях тиску Рсо (Т=1873К). 1, 1' - [Nb]=0%; 2, 2' - [Nb]=1%; 3, 3' - [Nb]=2%; 1,2,3 - Рсо=1·105 Па; 1',2',3' - Рсо=1·104 Па

Наприклад, при концентрації хрому 15% збільшення вмісту ніобію від 0 до 2% підвищує рівноважну з хромом концентрацію вуглецю від 0,075 до 0,10%. Це свідчить про те, що для зневуглецьовування складнолегованих розплавів, які містять ніобій, необхідні більш значні розрідження, ніж для звичайних хромонікелевих розплавів при однаковій кінцевій концентрації вуглецю.

Разом з тим можна зробити висновок, що розрідження, які забезпечують промислові пароежекторні насоси (~100Па), достатні для отримання легованих ніобієм нержавіючих сталей, в яких верхня межа за вмістом вуглецю становить 0,09%, методом переплавлення легованого скрапу, що містить ніобій.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Рис.3 Вплив вмісту ніобію у розплаві на рівноважну з хромом концентрацію вуглецю при Т=1873К і Рсо=1·104 Па

Таким чином, наведені вище розрахункові дані свідчать про те, що для максимального використання хрому та ніобію із легованого скрапу при виплавленні нержавіючих сталей, що містять ніобій, методом переплавлення відповідних легованих відходів, доцільно процес окислювального зневуглецьовування проводити в умовах низького тиску, тобто «вакууму».

Література

1. Гуляєв А.П. Металловедение. - М.:Металлургия, 1986. - 544с.

2. Чистяков С.Л., Дьяконов В.М., Сухарев В.А. Окисление и восстановление ниобия при выплавке высоколегированных сталей. Сталь, 1977, №6. - с510-511.

3.Куликов И.С. Раскисление металлов. - М.:Металлургия, 1975. - 504с.

4. Sigworth G.K., Elliott J.E. The Thermodinamics of liquid Dilute Iron Alloys. Metal Science, 1974. V.8., №9. - р.298-310.

5. Sawamure H., Matoba S. Stud. Metallurgy, Sendai, 1969. - p.44-52.

6. Чипман Дж. Физическая химия жидкой стали. В сб. «Производство стали в электропечах». - М.: Металлургия, 1965. - с.92-166.

Размещено на Allbest.ru