УДК 669.782 технические науки/металлургия

Ж.Д. Жолдубаева¹, Б.М. Киманов², Э.Б. Тен³,

А.З. Исагулов¹, А. Тилеухан¹

¹ Карагандинский технический государственный университет, г.Караганда, Казахстан

² Химико-металлургический институт им. Ж.Абишева г.Караганда, Казахстан

³ Научно-исследовательский технический университет «МИСиС», г.Мосвка, Россия

Рафинирование кремния от растворённого кислорода при моделировании фильтрования

Наряду с широко известными способами рафинирования в последние десятилетия широкое применение получил относительно новый для металлургической отрасли фильтрационный метод очистки металлов и сплавов, отличающийся высокой эффективностью и доступностью, поскольку не требует для его реализации больших капитальных вложений и при этом легко вписывающийся в существующие технологические процессы. Суть этого способа состоит в пропускании металлического расплава через фильтрующее устройство, при прохождении через который в результате физико-химических, адгезионных и адсорбционных, механических и других явлений происходит рафинирование металлического расплава от неметаллических включений (НМВ) и вредных примесей.

Однако имеются объективные предпосылки рафинирования не только от примесей, химически связанных в какие–либо соединения и находящихся в металлическом расплаве в виде взвеси неметаллических включений, но и от растворенных примесей.

Для экспериментальной оценки эффекта рафинирования кремния от растворённого кислорода моделировали процесс взаимодействия жидкого металла с зернистым фильтром в его отдельном поровом канале.

0

Рисунок 1 – Потенциограммы активности кислорода

в жидком кремнии до и после контакта расплава с фильтром из SiO₂

В качестве модели фильтра первоначально использовали кварцитовые трубки. В работе использовали трёхточечный электронный потенциометр КСП-4, позволяющий снимать и регистрировать сигналы кислородного зонда в интервале от 0 до 1000 мВ, а также термопары. При этих условиях относительная систематическая ошибка косвенного измерения активности составляла ±5%, а случайная ошибка определения не превышала ±8%.

На рисунке 1 приведены полученные потенциограммы непрерывного измерения ЭДС (Е, мВ) в жидком кремнии до и после контакта расплава с моделями фильтров из SiO₂.

Из приведенного рисунка видно, что в исходной стали активность кислорода составляет ~550 мВ (потенциограмма № 1). При вводе в расплав кварцитовой ячейки фильтра значение ЭДС, по сравнению с исходной, стабильно повышается (потенциограмма № 2). Результаты полученных значений активности кислорода приведены в таблице1.

Таблица 1 – Значения активности кислорода в жидком кремнии до и после ввода в расплав модели фильтрующей ячейки

Вариант	Материал модели фильтра	Активность кислорода, мВ
		Еi,	∆Е=Ефил.-Енефил.
«нефильтрованный»	–	550	–
«фильтрованный»	SiO2	600	+ 50

Статистическая обработка полученных данных показала, что измерения активности выполнены с одинаковой точностью и средние значения в них различаются закономерно.

Результаты измерений изменения активности кислорода в жидком кремнии до и после ввода в расплав модели фильтрующей ячейки, приведённые в таблице 2, показывают, что при моделировании фильтрования кремния через фильтр из SiО₂ активность кислорода возрастает с 550 до 600 мВ, что указывает на снижение в нём концентрации растворённого кислорода. Значительная разница в значениях активности кислорода в «нефильтрованном» и «фильтрованном» варианте (∆Е=50мВ) является экспериментальным доказательством эффекта рафинирования кремния от растворённого кислорода и объясняется участием фильтрующего материала в качестве гетерогенной подложки в процессе выделения на нём оксидной фазы.

При экспериментальном выявлении эффекта рафинирования стали марки 05КП от растворённого кислорода по подложечному механизму при использовании модели фильтра из кварцита [1], были получены следующие результаты (таблица 10, столбец 3). Для железоуглеродистых расплавов по полученным значениям Э.Д.С. активометра (мВ) существуют широко используемая формула для расчёта активности кислорода в % (масс) [2]:

, (1)

где а_[O] – активность растворенного кислорода, % масс.,

Е – величина Э.Д.С. активометра, мВ,

Т – температура расплава, К

Таблица 2 – Значения активности кислорода в стали до и после ввода в расплав модели фильтрующей ячейки

Вариант	Материал модели фильтра	Активность кислорода
		Е, мВ	ΔЕ, мВ	а[O], % масс.	Δа[O], % отн.
1	2	3	4	5	6
1. «нефильтрованный»	–	154	–	0,0620	–
3. «фильтрованный»	SiO2	227	+73	0,0248	60

Определив из выражения (1) значение активности кислорода (а_[O]%, масс) можно, рассчитать концентрацию растворённого кислорода ([%O]_р-р). Рассчитанные значения а_[O], приведенные в таблице 2 (столбец 5), показывают, что при моделировании процесса фильтрования стали активность кислорода существенно уменьшается (Δа_[O]= 60%). Такое значительное снижение содержания растворенного кислорода происходит вследствие участия материала фильтра в качестве гетерогенной подкладки (подложки) в протекании реакции раскисления на его поверхности.

Литература

1 Киманов Б.М. Исследование механизма фильтрационного рафинирования стали от растворённого кислорода.- Труды университета.- Караганда: КарГТУ.- 2010.- С. 27-29.

2 Лузгин В.П., Зинковский И.В., Подкидышев В.В. и др. Кислородные зонды в сталеплавильном производстве. - М.: Металлургия. - 1989. –144 с.