Дипломный проект (1222694), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

2.6.5 Силикат натрия (Na₂O(SiO₂)n)

Силикат натрия (жидкое стекло, пищевая добавка Е550) представляют собой соли кислот кремния. Впервые жидкое стекло в 1818 году получил немецкий химик Ян Непомук фон Фукс. Данное соединение весьма широко распространено в природе. Силикаты содержатся в одной трети всех известных минеральных соединений (в глинистых материалах, полевых шпатах, слюде).

Силикат натрия – белый или беловатый мелкодисперсный порошок без определенного вкуса и запаха. Жидкое стекло, растворяясь в воде, образует вязкий раствор. В разбавленных растворах силикат натрия распадается на анионы кремниевой кислоты и катионы натрия. При удалении воды раствор силиката натрия превращается в аморфное твердое тело. Под действием хлоридов и кислот из раствора жидкого стекла образуется силикагель (сорбент).

Вязкие растворы силиката натрия при нагреве до температуры 200–300 °C вспучиваются и увеличиваются в объеме в пять-восемь раз.

В настоящее время жидкое стекло получают методом обработки в автоклаве сырья, содержащего кремнезем, концентрированными растворами натрия гидроксида. Известны также методы получения силиката натрия, основанные на кристаллизации расплавов из стекол, осаждении из газовой фазы и растворов [42].

С помощью материалов (CaWO₄, CaF_2, FeSi, Na₂O(SiO₂)n) мы получаем флюс который при добавление в кристаллизатор перемешивается с проволокой (Св–08А), тем самым получая высококачественный образец.

3 ПРОВЕДЕНИЕ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА И СВАРОЧНО-НАПЛАВОЧНЫХ11РАБОТ С РАЗРАБОТАНЫМ ФЛЮСОМ ИЗ11ТИТАНОСОДЕРЖАЩЕГО11МНОГОКОМПОНЕНТНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Растущие затруднения в обеспечении исходными сырьевыми материалами и высокие затраты на расширение металлургического производства остро поставили перед материаловедением ряд насущных задач и определили стратегические следующие направления в области разработки и создания материалов:

- получение материалов с комплексным использованием сырья и учетом распространения его в природе;

- разработку и освоение прогрессивных, экологически чистых технологий получения конструкционных, инструментальных, сварочных и наплавочных материалов из минерального сырья без его глубокой технологической переработки и приближение таких технологий к местам добычи последнего.

Задача состоит в том, чтобы из определенного количества исходных сырьевых материалов и полуфабрикатов получать максимальное количество металлургической продукции с более высоким качеством и наименьшими затратами.

В ряде работ [1-3] предложен подход, основанный на комплексном использовании минерального сырья при воздействии на него концентрированными потоками энергии, с целью извлечения легирующих элементов и оксидов, что соответствует предлагаемой теории уменьшения энтропии при получении конечного материала, минуя стадию первичного обогащения и переработки. Сокращение периода производства материала происходит за счет использования современных технологий, исключающих применение экологически опасных пиро-, гидрометаллургических процессов. Использование таких технологий позволит обеспечить не только комплексную и рациональную переработку, но и выполнение экологических требований, превращение ресурсодобывающих – в поставщиков материалов, изделий, продуктов.

Одной из таких технологий является электрошлаковый переплав (ЭШП), разработанный в 50-х годах в Институте электросварки им. Е.О. Патона и обладающий рядом таких преимуществ, как высокая производительность (по скорости плавления электрода они вне конкуренции с другими способами), хорошая защита шлаковой ванны, возможность формирования швов практически неограниченных размеров, сокращение объема последующей механической обработки и ряд других.

Шлаковая ванна при ЭШП представляет собой сложную систему, состоящую из ряда подсистем, выполняющих определенные функции и связанных между собой и окружающей средой интенсивным динамическим взаимодействием, обменом энергии, веществом и информацией. Процессы, происходящие в шлаковой ванне, усложняются постоянно меняющимися ее составом, наличием обратимых реакций, колебаниями электрических, механических, тепловых параметров и др. Следовательно, аналитически решить задачу легирования наплавленного металла для получения заданных свойств с использованием многокомпонентного минерального сырья существующими методами классической термодинамики, основанными на анализе квазиравновесных физико-химических процессов (предполагающих достижение равновесия), не представляется возможным.

Для решения задач получения легированного металла авторами использовался динамический подход [4], в рамках которого предполагалось за счет задания начальных условий (формирование шихты флюса) и факторов, влияющих на поведение шлаковой ванны (ток, напряжение, диаметр переплавляемой стали и др.) иметь представление о всех последующих состояниях системы.

3.1 Методика и материалы

При проведении экспериментов по электрошлаковому переплаву шихты с титаносодержащим минеральным сырьем, использовался титаносодержащий концентрат – ильменит, состав представлен в табл.1. При исследовании титансодержащего концентрата, выявлено что в его состав входят различные примеси и соединения Nb, Cr, Ca, V, Со, Ni, общее процентное содержана которых не превышает порядка 2 – 4 % массовых долей.

Взятый для экспериментов концентрат был представлен такими соединениями, как FeTiO₃ — MgTiO₃ (гейкилит) — Fe₂О₃ (гематит) и FeTiO₃ — MgTiO₃ — MnTiO₃ (пирофанит) — Fe₂О₃. Содержание MgO достегало порядка 20 % (пикроильмениты), MnOпорядка 14,6 %, (манганильмениты), Fe₂О₃ до36,8 % (гемоильмениты).

Таблица 3.1 – Химический состав титансодержащего концентрата (ильменит)

Содержание компонентов в концентрате массовых долей, %
ТiO2	Al2O3	Fe2O3	SiO2	MnO	CaO	MgO	Прочие	Влажность
31,6 – 58,4	2,5 – 4,5	28 – 36,8	6	14,6	2	14,5-20	2 – 4	0,5

Для проведения экспериментальных исследований важным аспектом работы являлось определение состава опытного флюса, состоящего из многокомпонентного оксидосодержащего минерального сырья. Основываясь на опытах, описанных в работе [5, 6], был предложен новый состав флюса, в который входили следующие компоненты: ильменитовый концентрат, с содержанием ТiO2от 31,6 – 58,4 масс %, и добавленным в состав шихты в объёме 50 % массовых долей, флюоритовый концентрат – СаF2, порядка 25 %, а также ферросилиций – FeSi порядка 25 % от общей доли всего объёма.

Данный состав шихты был получен в ходе оптимизирован основываясь на свойствах восстановителя, которым в данном случае являлся флюоритовый концентрат. Состав шихты представлен в таблице 3.2

Учитывая, что ильменитовый концентрат содержит вредные примеси мышьяка и серы, провели хлоридовозгоночный обжиг, при котором происходит обезмышьякование концентрата. Мышьяк с серой образуют аурипигмент As₂S₃. Огарок от обжига представлен ильменитом с примесями вновь образованного пирротина и гематита.

Таблица 3.2 – Химический состав шахты с титаносодержащим концентратом

Эксперименты проводились на установке для электрошлакового переплава, где в качестве силовой установки был использован многопостовой сварочный выпрямитель ВДМ-6303С. В качестве электродного материала использовалась низкоуглеродистая проволока Св08А диаметром 3 мм, ГОСТ 2246 – 70. Переплав осуществлялся током в диапазоне 400…500 А, и напряжением 40…50 В.

В результате проведенных экспериментов по электрошлаковому переплаву разработанного флюса, были получены образцы в виде металлических слитков цилиндрической формы диаметром 55 мм и высотой порядка 80 мм.

Фазовый анализ и химический состав полученных образцов и шлака, проводили насканирующем электронном микроскопе «VEGA 3 LMH» (TESCAN), оснащенном энергодисперсионным спектрометром «X-Max 80»(OxfordInstruments). Фотографирование образцов и поиск микровключений велся преимущественно в режиме обратно рассеянных электронов (BSE-детектор). С его помощью фазы с более высоким средним атомным числом при получении изображения отражаются в контрасте более ярко по сравнению с фазами, имеющими меньшее среднее атомное число.

Состав шлака и полученных образцов изучался с помощью дифрактометра «Дрон 7» с трубкой из Со на К_-линии рентгеновского излучения со скоростью съёмки два градуса в минуту.

3.2 Результаты проведенных опытов

Используя технологию электрошлакового переплава, мы задаемся целью при помощи жидкого шлака изменить состав расплавляемого металла. В свою очередь шлак позволяет процессам плавления протекать устойчиво, и обеспечивает защитную среду от внешних факторов, а также позволяет уже на стадии формирования состава флюса задать параметры получаемому металлу.

Особенностью системы электрошлакового переплава будет являться неравномерное распределение тока по всему объёму шлаковой ванны, что приведет и к неравномерному распределению температур. Разница температур между источником наибольшей концентрации электрической дуги и охлаждаемыми стенками кристаллизатора, приведут к возникновению конвекционных процессов расплавленного материала. Так же конвекционные процессы в системе, в значительной степени, будут зависеть от параметров электрического тока, который в свою очередь будет порождать магнитное поле, приводящее к появлению в системе электромагнитной силы рисунок 3.1

Природа процессов движения расплава в электрошлаковой ванне относятся к магнитной гидродинамике (МГД), и не зависит от вида материала электрода или флюса, а зависит от электрического тока, проходящего через расплав, и взаимодействующего с этим током электромагнитного (ЭМП) поля [6]. Таким образом электромагнитная сила f_eзакручивает жидкий расплав по направлению, совпадающему с направлением ЭМП поля. Общее направление движения расплавленного шлака представляет собой вихревой тор с направлением движения его оси симметрии вниз от электрода и в верх от стенок кристаллизатора. Важно отметить что кристаллизатор состоит из двух геометрически одинаковых половинок, оснащенных рубашкой охлаждения. При подаче воды в систему охлаждения кристаллизатора, вызванный разницей температур стенок t_ст и очага расплава у электрода Т, конвекционный эффект по направлению может совпадать с силой f_e и с направлением движения ЭМП поля.

Характеристики

Список файлов ВКР