Металлургия и обработка металлов (выпуск 5)
Материалы научно-технической конференции молодых ученых физико-металлургического факультета
Донецк: ДонНТУ. 2002. С. 54—56

Удаление примесей цветных металлов хлоридами и фторидами

Д.Ю. Миронов, В.С. Ходячих, В.Г. Скрябин

Донецкий национальный технический университет
г. Донецк, Украина

Как известно одной из проблем в современной металлургии является удаление примесей цветных металлов из сплава.

В реальном производстве может случиться такая ситуация, когда полученный в ходе плавки металл не соответствует требованиям ГОСТа, например, по содержанию меди, никеля и свинца.

Существует несколько путей решения этой проблемы. Одним из таких путей является разливка «испорченной» стали на несколько плавок. Данный вариант влечет за собой дополнительные затраты энергии, человек-ресурсов, снижение производительности из-за привлечения дополнительных производственных мощностей, таких как, сталеразливочный ковш, в котором необходимо держать «забракованный» сплав в течении определенного времени для осуществления процесса разливки в следующие плавки. Это может повлечь за собой изменение химического состава, структуры сплава и другие негативные последствия. Что в конечном итоге приводит к увеличению затрат на производство годного металла и повышению его себестоимости, а это естественно никому не нужно.

Целью нашей научно-исследовательской работы является разработка внепечного способа рафинирования стали от примесей цветных металлов, таких как медь и никель путем обработки сплава хлоридами и фторидами.

Данная проблема рафинирования может решаться несколькими путями. Одной из отличительных особенностей этих путей является подача хлора или фтора в ковш с жидким металлом. Например, хлор (фтор) может подаваться в ковш в газообразном виде из баллонов (кстати, данная технология применяется в ферросплавной промышленности для удаления примесей цветных металлов из ферросплавов), но при таком способе подачи возникает возможность отравления, так как хлор является ядовитым газом, следовательно необходимо большое внимание уделить газоочистке. В этом направлении возможно использование собирающего зонта над ковшом в котором будет находиться металл, а так как почти все хлориды растворимы в воде и легко нейтрализуются даже слабыми основаниями можно применять различные способы гидроочистки. И все таки работа с газообразным хлором, который находиться под давлением опасна. Поэтому мы в своей научно-исследовательской работе предлагаем использовать твердый (сыпучий) материал, т.е. одну из солей хлора, которые при комнатной температуре (298 К) существуют в твердом агрегатном состоянии, а при температурах сталеплавильных процессов (в нашей работе были взяты температуры 1823, 1873, 1923 К) эти соли диссоциировали, а одним из продуктов диссоциации являлся бы газообразный хлор.

На данном этапе работы мы занимаемся определением оптимальной соли для вдувания ее порошка в ковш. Соли, из которых проводится отбор, были выбраны по следующим критериям:

1. Экономическая реальность применения соли (т.е. необходимо было выбрать соль стоимость которой была бы наименьшей).
2. Давление выделяющегося хлора при диссоциации соли должно быть максимальным.

С помощью термодинамических зависимостей энергии Гиббса от температуры, для заданных температур были подсчитаны парциальные давления газообразного хлора при диссоциации различных солей и составлена таблица результатов. По предварительному анализу необходимой солью, скорее всего, будет хлорид натрия.

Для продолжения нашей работы необходимо будет провести расчет массы и объема хлора, который выделяется при диссоциации соли. Если пузырек хлора массой и объемом (в расчете на нормальные условия) за время прохождения через слой металла успевает приходить в равновесие, то он уносит с собой хлориды элементов общей массой , массы равновесного хлора , . Кроме того, в этот пузырек из металла будут экстрагированы газы общей массой . При этом из металла будут удалены элементы массой . В случае продувки в смеси с аргоном он расходоваться не будет, а изменится лишь его парциальное давление. Тогда можно записать баланс масс в виде:

(1)

Начальную массу хлора в дутье можно выразить через его расход или объем (в м³)

(2)

где  – атомная масса хлора, а массу хлорида и экстрагированного газа через массу элемента, например

Один из элементов стали, в общем случае, может расходоваться на образование нескольких хлоридов и экстрагированных газов в соответствии с их парциальными давлениями. Поэтому можно вывести соотношение между удаленной массой элемента, массами образованных им хлоридов и газов и их парциальными давлениями, например для углерода

Аналогичные выражения могут быть записаны для остальных компонентов металла и для остаточных (равновесных) масс хлора и . Преобразовав (1) с помощью таких выражений и зависимости (2) и проинтегрировав его, можно получить замкнутую систему из уравнений. Решение этой системы дает количества удаленных элементов и соответственно возможность определения измененного состава стали.

Таким образом, можно проследить за ходом «равновесной» продувки стали хлоридом и сделать некоторые практические выводы, например, по выбору области реальных технологических режимов. Условия, близкие к равновесным, реализуются, например, при донной продувке через пористые элементы.

© Д.Ю. Миронов, В.С. Ходячих, В.Г. Скрябин, 2002