Механизм и кинетика реакций десульфурации чугуна магнием. Основные физико-химические свойства магния
Важнейшие физические свойства магния, кальция и железа представлены для сравнения в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Физические свойства магния и железа
Анализ приведенных в таблице данных показывает, что плотность магния значительно меньше плотности жидкого чугуна и шлака. Поэтому для эффективной обработки чугуна этим реагентом необходимо использование принудительного ввода его под уровень обрабатываемого металла.
Температуры плавления и кипения магния намного ниже температур внепечной обработки чугуна. Поэтому, попадая в металл, магний плавится и испаряется за счет тепла обрабатываемого расплава.
Влияние температуры на величину давления насыщенного пара магния описывается уравнением
где PMg – давление насыщенного пара магния, Па.
Расчеты по уравнению (3.1) показывают, что при температурах внепечной обработки чугуна (1300 – 1400оС) давление насыщенного пара магния составляет 0,435 – 0,811 МПа. Поэтому испарение введенного в чугун магния происходит при подаче его на любую возможную глубину под уровень обрабатываемого расплава.
Испарение магния в обрабатываемом металле сопровождается резким увеличением его объема. При температурах внепечной обработки чугуна испарение 1 кг магния сопровождается образованием около 5,5 нм3 пара. По этой причине для безопасной обработки необходима рассредоточенная во времени подача диспергированного магния в металл. При обработке чугуна слитковым магнием необходимы мероприятия по ограничению скорости его испарения. При скорости ввода магния 6 – 8 кг/мин подаваемые под обработку 100 – 140-т чугуновозные ковши должны быть наполнены не более чем на 70 – 75% номинальной вместимости.
Известно, что высокой взаимной растворимостью обладают элементы, имеющие сходные атомные характеристики. Если атомные радиусы элементов различаются на 30% и более, их взаимная растворимость крайне ограничена. Ввиду значительного различия атомных радиусов магния и железа растворимость его в железе и стали очень мала.
Экспериментально установлено, что растворимость магния в сплавах железа подчиняется закону Генри
где Pi – давление пара элемента над расплавом 10-5, Па.
Содержание магния в железе в равновесии с жидким магнием при 1600oС обнаружено равным 0,96 – 1,05%. При этой температуре давление насыщенного пара магния составляет 2,27 МПа. Следовательно, при давлении пара магния над расплавом 0,1 МПа растворимость его в железе составит 0,044%.
Растворимость магния в сплавах железа увеличивается в присутствии никеля, меди, алюминия, углерода и кремния. Для количественной оценки влияния этих элементов на величину растворимости магния в железе могут быть использованы значения параметров взаимодействия, приведенные в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Значения параметров взаимодействия
Расчеты с использованием данных таблице 3.2 свидетельствуют о том, что растворимость магния в большинстве марок стали не превышает 0,1%.
Результаты исследования влияния температуры на растворимость магния в насыщенном углеродом железе и сплаве Fe – 4%C представлены на рисунке 3.1. Из рисунка видно, что в условиях внепечной десульфурации чугуна магний обладает существенной растворимостью в обрабатываемом металле. Это послужило основанием для широко распространенного в современной научно-технической литературе мнения о том, что десульфурация чугуна магнием протекает путем растворения магния в металле и последующего взаимодействия с серой в объеме чугуна.
Ограниченная растворимость магния в чугуне приводит к тому, что основное количество введенного в металл десульфуратора удаляется из расплава в виде пузырей пара. Поэтому для эффективной обработки магний следует вводить под уровень обрабатываемого металла на максимально возможную в данных условиях глубину.
Рисунок 3.1 – Влияние температуры на растворимость магния в насыщенном углеродом железе и сплаве Fe – 4%C: 1 – насыщенное углеродом железо; 2 – сплав Fe – 4%C