УДАЛЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Поскольку металлолом (обычно содержащий некоторое количество примесей цветных металлов) стано­вится основной составляющей метал-лошихты, содержание примесей цвет­ных металлов, которые переходят в металл из шихты, возрастает. Во мно­гих случаях, особенно при производ­стве качественных конструкционных сталей, присутствие даже сотых и ты­сячных долей процента нежелатель­ных примесей цветных металлов за­метно ухудшает свойства стали. Низ­кие температуры плавления и склон­ность ряда примесей к ликвации усугубляют положение.

В качестве иллюстрации приведем ре­зультаты проведенного ЦНИИЧМ сравне­ния состава канатной стали, полученной из обычной шихты и из шихты с использова­нием чистого по примесям губчатого железа:

Сравнение качества и механических свойств показало следующее: прочность, пластичность и результаты испытания про­волоки для канатов на перегиб и скручива­ние из стали, содержащей меньше примесей цветных металлов, оказались существенно выше.

Сталеплавильные процессы харак­теризуются окислительным характе­ром газовой фазы. По химическому сродству с кислородом примеси цвет­ных металлов можно расположить в следующий ряд: Bi, Cu, Pb, Sb, Ni, Co, W, Sn, Mo, Fe,Zn, Cr, Mn, V, Si, Ti, B, Zr, Al, Mg, Ca. Все элементы, разме­щенные справа от железа, в процессе плавки стали окисляются. По химическому сродству к кислороду и тем­пературе испарения примеси цветных металлов, поступающие в сталепла­вильные агрегаты вместе с металлоло­мом, можно разделить на четыре груп­пы:

1. Si, Al, Ti, Zr, В, V— обладают высоким химическим сродством к кислороду и окисляются до следов в первые периоды плавки.

2. Мп, Сг — химическое сродство к кислороду близко к таковому для Fe; эти элементы распределяются между шлаком и металлом в зависимости от активности их оксидов в шлаке.

3. Си, Ni, Sn, Mo, Co, W, As, Sb -химическое сродство к кислороду меньше, чем таковое у Fe; эти элемен­ты почти полностью остаются в стали в растворенном состоянии; удаление их из стали затруднительно.

4. Zn, Pb — удаляются из агрегата вследствие своей легкоплавкости и летучести. Во время плавления ших­ты цинк (температуры плавления 419,5 °С, кипения 906 °С) улетучива­ется, окисляется и удаляется с отходя­щими газами; встречаясь на пути со сравнительно холодными поверхнос­тями, оксид цинка на них конденси­руется. В результате при переработке цинксодержащей шихты (например, пакетов из кровельного железа, быто­вых отходов и т. п.) на поверхности насадок регенераторов и в боровах мартеновских печей, на трубках кот­лов-утилизаторов конвертеров и т. п. откладывается слой оксида цинка, снижая стойкость и футеровки, и обо­рудования.

Для исключения этих нежелатель­ных явлений необходима предвари­тельная высокотемпературная обра­ботка цинксодержащих отходов с од­новременным улавливанием цинка. Свинец (температуры плавления 327,4 °С, кипения 1750°С) или улету­чивается из агрегата при воздействии высоких температур (что вредно для здоровья), или, быстро расплавляясь, стекает вниз. Обладая при повышен­ных температурах высокой жидкоте-кучестью, он просачивается в малей­шие неплотности кладки. Образован­ные свинцом каналы могут привести к уходу металла через кладку. «Заражен­ная» свинцом футеровка может стать источником попадания свинца в ме­талл во время последующих плавок.

Решением проблемы может быть организация предварительного подо­грева лома.

Наиболее трудной задачей является удаление из металла элементов груп­пы 3. Такие элементы, как Ni, Co, Мо, W, Си, используют для легирования некоторых сталей. Если в перечне ма­рок, которые включены в заказ цеху, имеются стали, содержащие данные элементы, то, получив пробу металла с указанием на наличие этих элементов, можно выбрать соответствующую марку из общего пакета заказов. Если соответствующей марки в пакете зака­зов нет, то плавку или бракуют, или проводят выпуск с полученным содер­жанием этих элементов. Способы уда­ления их из стали не разработаны. Во многих случаях содержание в стали рядовых марок небольших количеств таких примесей, как Ni, Mo, Co, W, невредно (иногда даже полезно).

Постепенное, но неуклонное повы­шение содержания в стали меди, попа­дающей в металл вместе с ломом, сти­мулирует поиск методов ее удаления, поскольку медь ухудшает качество стали таких групп, как электротехни­ческие, инструментальные, пружин­ные, высокопрочные, для глубокой вытяжки и т. д. Эффективные пути и методы снижения содержания меди пока не разработаны. Одним из воз­можных вариантов является перевод содержащейся в металле меди в суль­фид. Источником серы может быть такой минерал, как пирротин (маг­нитный колчедан), состоящий в ос­новном из Fe₁-_nS (n = 0,1-0,2). При по­падании пирротина в сталеплавильную ванну при определенных условиях воз­можна реакция между сульфидом желе­за и растворенной медью с образовани­ем сульфида меди, который переходит в шлак: 2 [Си] + (FeS) = (Cu₂S) + Fe. При этом возрастает содержание в металле серы, определяемое значени­ем коэффициента распределения серы _s = (S)/[S] для данного состава шлака.

Таким образом, уменьшение содер­жания меди при этом методе обработ­ки сопровождается повышением со­держания серы, вследствие чего полученный после операции декупрации (удаления меди) металл должен под­вергаться обессеривающей обработке. Упомянутый способ на практике пока не используют, и задача разработки рациональной технологии декупрации остается нерешенной.

Не менее сложной задачей является организация удаления таких приме­сей, как As, Sn, Sb и др. Одним из пер­спективных путей является организа­ция продувки металла порошками (например, на основе извести и плави­кового шпата) в струе кислорода.

Интерес представляет способ рафи­нирования стали от примесей цветных металлов, основанный на использова­нии их испарения в вакууме. Возмож­ность и интенсивность испарения оп­ределяются давлением пара примеси /' над раствором

Pi=Pº iXiYi,

где Pº i — давление пара чистого элемента; x_t и у/ — мольная доля и коэффициент актив­ности элемента в расплаве.

Значение давления пара колеблется в широких пределах. Например, дав­ление пара железа 13,3, марганца 2600, а цинка 5,3 • 10⁶ Па. По возрастанию давления пара чистые элементы (при 1600° С) можно расположить в следу­ющем порядке: W, Та, Mo, Zr, В, V, Ti, Со, Fe,Ni, Si, Cr, Cu, Al, Be, Sn, Mn, Pb, Sb, Bi, Mg, Zn. Отсюда следует, что при выдержке металла под пони­женным давлением можно достичь уменьшения содержания (вследствие испарения) таких трудноудаляемых примесей, как Си, Sn, Pb, Bi и др. Действительно, удаление этих при­месей происходит (например, при ва­куумном переплаве). Обычно кон­центрации примесей цветных метал­лов невелики, поэтому парциальные давления пара р/ очень малы. Соответ­ственно для испарения необходимо обеспечить глубокий вакуум и дли­тельную выдержку, что при массовом производстве затруднительно. Однако и в случае обработки глубоким вакуу­мом больших масс металла при его внепечной обработке какое-то коли­чество примесей цветных металлов удаляется вследствие их испарения, особенно при дополнительном пере­мешивании расплава.

В целом же проблема рафинирова­ния стали от примесей цветных метал­лов еще ждет своего решения.