Плавка чугуна без образования шлака

Ковш с расплавленным чугуном

Независимо от технологии плавки чугуна (ЭФ или вагранки), в процессе плавки образуется шлак. Шлак состоит из оксидов, которые образуются в процессе плавления. Движущей силой образования оксида является контакт расплавленного чугуна с атмосферой, в результате чего образуется оксид железа, запускающий процесс окисления.

Чугун, подвергающийся воздействию атмосферы, запускает химическую реакцию, которая образует оксид железа, и ее нельзя остановить, если не предотвратить контакт расплавленного чугуна с воздухом. Технологи сталелитейной промышленности прилагают все усилия, чтобы покрыть расплавленную сталь оболочкой, пытаясь предотвратить контакт жидкого металла с воздухом. Их усилия не совсем успешны.

В процессах плавления чугуна и обращения с расплавленным чугуном не предпринимаются попытки ограничить контакт с воздухом, а это означает, что оксид железа присутствует во всем производстве чугуна; он становится неотъемлемой частью процесса плавления, выдержки и литья.

Оксид железа, контактирующий с расплавленным чугуном, поставляет в ванну чугуна атомы свободного кислорода. Когда оксид железа присутствует в поверхностном шлаке, в ванне расплавленного чугуна будут присутствовать атомы свободного кислорода. Равновесное химическое уравнение: FeO = Fe + O  является механизмом поставки свободных атомов кислорода.

В настоящее время весь расплавленный чугун содержит некоторый объем свободного кислорода, если он не был специально раскислен. Атомы свободного кислорода создают динамическое, постоянно меняющееся состояние в расплавленной металлической массе. Оксиды образуются непрерывно. Твердые оксиды, такие как SiO2 и MNO, агломерируются и непрерывно поднимаются на поверхность ванны. Газообразный оксид, моноксид углерода, может оставаться в перенасыщенном растворе, причем перенасыщение, вызванное ферростатическим давлением, предотвращает осаждение и агломерацию оксида.

Как только происходит раскисление, атом кислорода удаляется из перенасыщенной молекулы монооксида углерода, освобождая атом углерода для повторного входа в расплавленную массу чугуна. В химическом составе ванны были отмечены случайные разовые повышения содержания углерода на 0,40-0,50%, вызванные исключительно процессом раскисления.

Новая возможность — раскисленный расплавленный чугун — новый интересный материал. Беспорядки, вызванные присутствием свободных атомов кислорода, ушли. Расплавленный чугун «ложится плашмя», ожидая бездефектного литья.

Процесс плавления в индукционных тигельных печах вызывает значительное перемешивание расплавленного чугуна, постоянно подвергая поверхности свежего чугуна воздействию атмосферы. Фактически, перемешивающее действие в конкретной индукционной тигельной печи коррелирует с потерями при окислении, происходящими в этой печи. В печах с контурным обогревом, таких как печи с вертикальным каналом, происходит минимальное воздействие расплавленного чугуна на атмосферу, что значительно упрощает раскисление.

После прекращения плавления происходит очень слабое перемешивание, что значительно снижает образование оксида железа на поверхности ванны расплавленного чугуна. Благодаря этому уменьшается повторное окисление ванны с чугуном. При выплавке стали серьезную озабоченность вызывает повторное окисление; но при плавке, выдержке и разливке чугуна повторным окислением в большинстве случаев можно пренебречь.

Когда при плавлении EF образуется оксид железа, часть остатка оксида железа попадает в футеровку печи. Этот остаток уменьшает рабочий объем печи и требует специального процесса «плавления» для его удаления. Как правило, этот процесс представляет собой высокотемпературный запуск и выдержку, в результате чего расплавленный оксид железа (шлак) расплавляется.

Следует отметить, что многие литейные заводы добавляют специальные опасные флюсы, чтобы помочь расплавить накопившийся шлак. Поскольку DeOX Metal Treatment удаляет оксид железа, не происходит никаких отложений и флюс не требуется.

Наращивание боковых стенок является худшим случаем при плавке чугуна, но до некоторой степени происходит при плавке любого чугуна. Раскисление расплавленного чугуна DeOX Metal Treatment устраняет все наросты на боковых стенках печи, что значительно ускоряет процесс плавления.

В печах с индукционным обогревом наблюдается засорение контура, что снижает срок службы печи. DeOX Metal Treatment предотвращает засорение контура индуктора, а в некоторых случаях снижает существующие наросты. Срок службы индуктора печи может быть увеличен в 2-4 раза с помощью приложения DeOX.

Выливные желоба и впускные отверстия в печи устанавливаются на большинство печей, содержащих расплавленный чугун. Забивание происходит из-за оксидных шлаков. Оксид железа также вызывает «твердость» и «липкость» шлака. Устранение оксида железа с помощью DeOX также устраняет корки и липкость, превращая шлак в сыпучий изоляционный материал и превращает ущерб в полезный актив.

Присутствуют многие возможные источники снабжения атомов кислорода. Фактически, техническая конференция, организованная Университетом Висконсина, выявила более 125 возможных источников. Техническое расследование, проведенное компанией Mastermelt, LLC, показало, что подходящими являются только два источника свободных атомов кислорода:

1) FeO = Fe + O
2) SiO2 = Si + 2O.

В конечном итоге все другие возможные источники поступления свободного атома кислорода в ванну чугуна не имели большого влияния. Первичные источники — главный фактор образования шлака — это фактор №1, но приведение этой реакции под контроль прекращает поступление в ванну железа свободных атомов кислорода.

Вторая реакция приводит к ограниченному количеству свободных атомов кислорода в ванне расплава, но не к избыточной подаче. Объем свободных атомов кислорода, поставляемых реакцией № 2, ограничен количеством кремния, присутствующего в расплавленном чугуне. Проще говоря, содержание кремния в чугуне поставляет в ванну конечное количество свободного кислорода, и это количество в основном инертно в отношении вторичных реакций, которые могут инициироваться атомами свободного кислорода.

Пример: инертный уровень свободного кислорода в стали составляет 1 PPM, тогда как в чугуне инертный уровень свободного кислорода составляет 2-3 PPM. В стали содержание кремния составляет около 0,35% Si; а в железе уровни кремния около 2,00% Si. Чем выше содержание кремния в чугуне, тем больше свободных атомов кислорода попадает в ванну, повышая уровень инертного кислорода в ванне. Кремний влияет на уровень инертного кислорода, но не доставляет избыточные атомы кислорода в ванну, как в случае оксида железа.

Оксид железа уникален. В покрывающем шлаке ванны чугуна может образовываться оксид железа в широком диапазоне концентраций, что делает его непостоянным поставщиком свободного кислорода, который необходимо контролировать.

Реакция № 1, которая является источником свободных атомов кислорода на основе оксида железа, зависит от подачи оксида железа, контактирующего с ванной расплавленного чугуна, при этом количество присутствующего оксида железа широко варьируется.

Проще говоря, чем выше количество оксида железа, присутствующего в шлаке, контактирующем с ванной, тем больше будет количество свободных атомов кислорода, подаваемых в ванну.

Атомы кислородаэто высокоэнергетические наноразмерные атомные частицы, которые ищут реакции с другими элементами в ванне чугуна. Атомы кислорода быстро реагируют в ванне с железом. Они существуют в виде свободных атомов максимум две минуты, а в итоге превращаются в молекулу оксида, соединяющуюся с элементами в ванне, в первую очередь углеродом, кремнием или марганцем.

Из-за ограниченного времени, в течение которого атомы свободного кислорода могут существовать в ванне расплавленного чугуна, эти атомы должны постоянно подаваться, чтобы окисление продолжалось.

Процесс обработки металлов DeOX от Mastermelt учитывает поступление свободных атомов кислорода, эффективно перекрывая подачу кислорода, нейтрализуя молекулу оксида железа в покровном шлаке ванны, химически восстанавливая ее. Когда подача свободных атомов кислорода прекращается, уровень свободных атомов кислорода в ванне чугуна быстро снижается до инертного уровня кислорода. На инертном уровне реакции, вызванные кислородом, останавливаются и больше не влияют на процессы плавления и литья чугуна.

Образование шлака — результат окисления; побочные продукты окисления, образующиеся во время цикла плавления. Когда в плавильном цикле происходит раскисление, шлак не образуется. Это справедливо также для всех процессов плавки EF и вагранок.

При эксплуатации вагранки некоторое количество шлака образуется из золы расплавленного кокса (SiO2 ), но 80% вагранки удаляется за счет раскисления в процессе плавки.

Вне всякого сомнения — плавка без образования шлака противоречит общепринятому мнению. Немногие технологи, занимающиеся плавкой чугуна, могут представить себе плавку чугуна без образования шлака, но это замечательное состояние достигается с помощью DeOX Metal Treatment. Окисление прекращается, в результате чего не образуется шлак.

Загрязнение окиси железа покрывающего шлака чугунной ванны вызывает множество нежелательных эксплуатационных проблем. Однако покровный шлак необходим для предотвращения контакта чугуна с воздухом. DeOX Metal Treatment удаляет компонент оксида железа в шлаке, превращая твердо-слизистый шлак в свободно текучий покровный барьер, который улучшает процессы плавления, выдержки и разливки, останавливая повторное окисление ванны чугуна.

Раскисление в процессе плавки чугуна является ключевым моментом, и в настоящее время процесс обработки металлов DeOX является единственной доступной технологией для его выполнения.

Чугун плавили без раскисления с начала железного века, в 500 году до нашей эры. Его можно продолжать плавить сегодня без раскисления, но многие преимущества качества литья и производства являются результатом раскисления, и экономия значительна.

Исключить образование шлака при плавке и литье чугуна просто — добавьте небольшое количество DeOX в процесс плавления. Раскисление будет происходить быстро.

Автор

Ron Beyerstedt (Рон Бейерстедт), президент Mastermelt LLC, e-mail: ron@mastermelt.com

Источник: www.foundrymag.com