Phản ứng luyện kim tiến hành rất triệt để đồng thời lại do tác dụng khuấy trộn của lực điện từ làm cho bể xỉ bị khuấy trộn mãnh liệt, không ngừng thay đổi mặt tiếp xúc giữa thép-xỉ, cườn
Trang 1Chương 7 Phương pháp tinh luyện bằng điện xỉ
7.1 Khái quát
Phương pháp luyện lại bằng tinh luyện điện xỉ (Electro Slag Refining - ESR) là một trong những phương pháp luyện kim tiên tiến Kim loại được tinh luyện chủ yếu là thép hợp kim đặc biệt, đôi khi cũng được ứng dụng để tinh luyện các kim loại màu Công nghệ này
được nghiên cứu đầu tiên tại Viện Hàn điện Kiep và Viện Hàn điện Patôn (Liên Xô cũ) So với các công nghệ tinh luyện khác, phương pháp điện xỉ có nhiều tác dụng nổi bật như sau:
- Tác dụng làm sạch kim loại
Quá trình công nghệ điện xỉ bao gồm 3 công đoạn: nóng chảy, rót đúc và kết tinh của kim loại lỏng đều diễn ra trong bình kết tinh Như vậy kim loại lỏng không hề tiếp xúc với không khí và vật liệu chịu lửa nên tránh được sự nhiễm bẩn
- Tác dụng lọc rửa của xỉ
Cả kim loại được tinh luyện và xỉ đều ở nhiệt độ tương đối cao nên các phản ứng luyện kim được xúc tiến nhanh Sau khi kim loại nóng chảy, từng giọt hình thành sẽ rơi xuống xuyên qua lớp xỉ vào bể kim loại lỏng Diện tích tiếp xúc giữa thép lỏng và xỉ lỏng có thể lên tới 300m2/tấn Phản ứng luyện kim tiến hành rất triệt để đồng thời lại do tác dụng khuấy trộn của lực điện từ làm cho bể xỉ bị khuấy trộn mãnh liệt, không ngừng thay đổi mặt tiếp xúc giữa thép-xỉ, cường hoá các phản ứng tinh luyện tăng nhanh quá trình hấp thụ tạp chất phi kim của
xỉ và loại bỏ các thể khí có hại ra khỏi thép
- Tác dụng kết tinh cưỡng bức
Thép lỏng tinh luyện lại được làm nguội rất nhanh trong thùng kết tinh, nên tốc độ kết tinh rất lớn, cải thiện được sự phân bố về thành phần hoá học cũng như thiên tích về tổ chức kim tương của thỏi thép
- Tác dụng bù ngót rất tốt
Phía trên thỏi thép luôn luôn có bể kim loại lỏng và bể xỉ nhiệt độ cao, tức là có mũ giữ nhiệt, kim loại lỏng phía trên luôn bù vào lõm co do kim loại phía dưới kết tinh co ngót Như vậy hoàn toàn có thể loại bỏ một cách có hiệu quả lõm co và xốp thường gặp ở thỏi thép và độ
đặc chắc của thỏi thép được nâng cao
- Tác dụng của lớp vỏ xỉ
Giữa bề mặt thỏi và bình và bình kết tinh có một lớp xỉ mỏng tạo thành lớp vỏ xỉ bao quanh thỏi thép, làm cho chất lượng bề mặt của thỏi nhẵn bóng, đồng thời có tác dụng cách nhiệt làm cho thỏi thép toả nhiệt có định hướng hình thành vùng tinh thể hình trụ gần như định hướng, cải thiện cấu trúc vi mô của thỏi thép
Những ưu việt của phương pháp luyện bằng điện xỉ:
- Chế tạo được những thỏi thép đặc chắc, không có lõm co và rỗ xốp, những thỏi thép như vậy đã có trọng lượng tới 200 tấn;
- Sản phẩm rất sạch, ít tạp chất, tạp chất lại nhỏ mịn và phân bố đồng đều
- Tính đồng nhất của tổ chức và thành phần hoá học tốt;
- Tránh được thiên tích giải và thiên tích vùng;
- Hệ số thu hồi kim loại rất cao;
- Khử sâu lưu huỳnh và các tạp chất phi kim khác;
- Giữ được các nguyên tốt hợp kim, kể cả những nguyên tố dễ bị oxy hoá;
- Có khả năng hiệu chỉnh được thành phần khi chọn xỉ thích hợp, nếu thành phần điện cực không đúng như thành phần xác định;
- Làm tăng khả năng biến dạng và độ dai va đập;
- Những tính chất theo chiều ngang được cải thiện rất mạnh;
- Cải thiện những tính chất ở nhiệt độ cao;
- Cải thiện được tính hàn;
- Đặt được bề mặt phẳng trơn, không cần gia công bề mặt trươc khi biến dạng nóng;
- Tính chất biến dạng nóng tốt hơn;
Trang 2- Giảm được độ biến dạng mà vẫn đạt được tổ chức xác định ở tâm sản phẩm;
- Điều kiện tới hạn khi đúc rót điện cực ít hơn so với đúc rót thỏi cán;
- Kiểm tra được tốc độ và hướng đông đặc;
- Kiểm tra được kích cỡ hạt;
- Kiểm tra được kích cỡ cácbít, đặc biệt đối với thép gió;
- Khả năng chịu ăn mòn tăng;
- Bảo vệ kim loại lỏng không bị môi trường oxy hoá
Bảng 7.1 So sánh những đại lượng đặc trưng của tinh luyện điện xỉ và
tinh luyện hồ quang chân không:
- Khử S, P, N S < 0,002%; P < 0,003%; N <
0,0126%
S: 0,004%; P: 0,011% N: 0,0094%
- Co ngót - Cơ bản không xốp và không
co ngót - Có xốp, có lõm co
- Sự thiên tích
- Khử - Khử kém phụ thuộc vào
thành phần xỉ và thép - Tốt
- Nguồn điện - Xoay chiều, một chiều - Một chiều
- Thiết bị - Biến áp, chỉnh lưu - Chỉnh lưu + chân không
- Tiêu hao điện năng
- Môi trường luyện - Có thể chân không, áp suất
thấp - Phải là chân không
- Nguyên liệu - Điện cực tự hao - Điện cực tự hao
- Hiệu suất thu hồi kim loại - Cao hơn - Thấp hơn
- Chất lượng sản phẩm - Tương đương - Tương đương
Qua sự so sánh và đánh giá trên ta thấy, phương pháp tinh luyện điện xỉ có nhiều ưu
điểm hơn Đặc biệt trong điều kiện ở nước ta đầu tư công nghệ tinh luyện chân không chưa có, thì việc triển khai tinh luyện bằng điện xỉ hiện tại có thuận lợi hơn
7.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình điện xỉ
7.2.1 Nguyên lý làm việc của công nghệ điện xỉ
Trang 37.1 Sơ đồ thiết bị tinh luyện điện xỉ
a - Sơ đồ nguyên lý b - Sơ đồ mạch điện
4 Xỉ lỏng
5 Kim loại lỏng
6 Lớp vỏ xỉ
7 Khe hở không khí
8 Thỏi thép đông đặc
9 Cách điện
10 Tấm đáy
11 Nguồn điện
* Giải thích:
- Thùng kết tinh được chế tạo bằng đồng, có thể cố định hoặc di động và được làm nguội bằng nước
- Tấm đáy được làm nguội bằng nước
- Gía đỡ điện cực có thể chuyển động theo phương thẳng đứng
- Nguồn điện - có thể là xoay chiều hoặc một chiều, biến áp cao dòng có thể điều chỉnh được
- Điện cực tự hao (thỏi thép cần tinh luyện) được mắc nối tiếp với xỉ lỏng, kim loại
đông đặc và tấm đáy của bình kết tinh để trở về nguồn, tạo thành một mạch điện kín
Dòng điện truyền qua xỉ lỏng có điện trở lớn, năng lượng điện biến thành nhiệt năng theo định luật Jule-Lentz, nâng nhiệt độ xỉ đến 1800-20000C
Lượng nhiệt toả ra Q có thể được tính toán theo công thức:
Trang 4Q = 0,24 IRSt (Calo)
I : Cường độ dòng điện
RS : Điện trở xỉ
t : Thời gian
Từ công thức này ta thấy lượng nhiệt toả ra phụ thuộc vào dòng điện và điện trở của xỉ Trong quá trình điện xỉ, theo định luật Ôm ta có giá trị của dòng điện tăng khi tăng điện áp trong vùng xỉ và khi giảm điện trở của xỉ
S
S R
U
I
US : Điện áp xỉ Các đại lượng (I, US, RS) liên hệ chặt chẽ với nhau, sự thay đổi của một đại lượng kéo theo sự thay đổi của hai đại lượng kia, vùng xỉ được coi như một hệ thống riêng biệt
Lượng nhiệt này làm nóng chảy xỉ và điện cực tự hao (~ 40%) và giữ cho kim loại ở trạng thái nóng chảy và quá nhiệt trước khi bị làm nguội và kết tinh cưỡng bức Phần lớn nhiệt mất ra ngoài theo nước làm nguội qua bình kết tinh và tấm đáy (~50%), một phần tích trữ ở thỏi kim loại mới hình thành (~9%) Tiêu hao điện năng phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể
và dao động từ 1.000-2.000 Kwh/tấn sản phẩm
7.2.2 Hành vi của các nguyên tố trong điện xỉ
- Hành vi của oxy:
- Trong quá trình luyện thép bằng điện xỉ, xỉ đóng một vai trò quan trọng Những tạp chất phi kim loại tồn tại trong thép được xỉ hấp thụ và hoà tan, thông qua phản ứng luyện kim xảy ra ở bề mặt biên giới giữa xỉ và kim loại
Bề mặt biên giới lớn, xỉ được quá nhiệt và khuấy trộn mạnh, độ sệt thấp, sự cân bằng nhiệt hầu như hoàn toàn, đó là những điều kiện thuận lợi để khử sâu tạp chất của thép lỏng
ở điều kiện bình thường tinh luyện điện xỉ được tiến hành trong môi trường không khí với điện cực tự hao và thùng kết tinh chứa kim loại lỏng và xỉ nóng chảy
Nguồn cung cấp oxy bao gồm:
- Ôxy của không khí thâm nhập qua xỉ
- Lớp vỏ ôxit trên điện cực tự hao
- Sự oxy hoá điện cực trong quá trình nấu
- Ôxy trong kim loại tinh luyện
Cơ chế truyền oxy vào kim loại lỏng thông qua oxy hoá bề mặt điện cực tự hao như sau:
2 Fe + 3/2 {O2} = (Fe2O3) (Fe2O3) + Fe = 3 (FeO) Theo định luật phân bố một phần FeO đi vào xỉ, một phần đi vào kim loại thực hiện oxy hoá các nguyên tố trong kim loại
- Nguồn cung cấp oxy từ không khí tới kim loại:
{O2} = 2 (O)hp (O)hp + 2 (FeO) = (Fe2O3) (Fe2O3) + Fe = 3 (FeO) Theo thuyết ion
{O} ⇋ (O)hp (O)hp + 2 (Fe2+) + 3 (O-2) = 2 (FeO2-) FeO2- sinh ra trên bề mặt xỉ, khuyếch tán vào mặt phân pha xỉ - kim loại và bị Fe hoàn nguyên:
2 (Fe2-) + Fe = 3 (Fe2+) + 4 (O2-)
Fe2+ và O2- sinh ra một phần đi vào kim loại theo phản ứng:
(Fe2+) + (O-2) Fe + O
Trang 5Một phần khác khuyếch tán lên mặt biên giới xỉ và khí lò
- Từ đây ta thấy FeO có tác dụng trung gian với việc truyền oxy vào kim loại
- Để hạn chế việc truyền oxy vào kim loại cần phải: chế tạo điện cực có bề mặt sạch, dùng khí trơ bảo vệ (Ar) hoặc dùng lớp sơn bảo vệ Ngoài ra oxy còn đi vào kim loại do xỉ ẩm hay hơi nước theo phản ứng:
{H2O} + (O2-) = 2 (OH-) Trên bề mặt xỉ và kim loại xảy ra phản ứng sau:
2 (OH-) + Fe = (Fe2+) + 2 (O2-) + 2H
2 (Fe2+) + 2 (O2-) = 2 Fe + 2 O
2 (OH-) + (Fe2+) = Fe + 2 [O] + 2H
Do vậy, khi đó H2 cũng xâm nhập vào kim loại
- Quá trình oxy hoá các nguyên tố trong điện xỉ tuân theo lý thuyết nhiệt động học của phản ứng oxy hoá khử Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào độ bền nhiệt động của các ôxit hay phụ thuộc vào năng lượng tự do của các phản ứng tạo thành ôxit
Ôxy từ các nguồn khác nhau được truyền vào kim loại và xảy ra phản ứng giữa các pha khí-xỉ-kim loại Nếu trong xỉ có những ôxi kém bền vững hơn các ôxit trong kim loại thì các nguyên tố trong kim loại sẽ bị oxy hoá tạo thành các ôxit mới bền vững hơn
- Khả năng oxy hoá của xỉ tăng khi tăng độ kiềm của xỉ
- Khả năng bị oxy hoá của các nguyên tố còn phụ thuộc vào hoạt độ của oxy trong kim loại
Vì vậy khi xem xét sự oxy hoá các nguyên tố trong điện xỉ phải dựa vào sự ổn định nhiệt động của các ôxit, ảnh hưởng của nhiệt độ, thành phần xỉ và đặc biệt là độ bazơ của xỉ
Do có sự hấp thụ oxy trong quá trình tinh luyện điện xỉ nên cần phải tính đến sự cháy hao các nguyên tố có ái lực với oxy
Hình 7.2 Quan hệ giữa sự cháy hao các nguyên tố C, Si và Mn và độ kiềm của
xỉ
Độ bazơ của xỉ (%CaO/ %SiO 2 )
Trang 6- Hành vi của: C, Mn, Si
(FeO) + Si = (SiO2) + 2 Fe
(FeO) + Mn (MnO) + Fe
(FeO) + C (CO) + Fe
- Các phản ứng này phụ thuộc tỷ lệ CaO/ SiO2 (Hình 7.2)
- Tăng hàm lượng Al2O3 trong xỉ làm giảm sự cháy hao Si
- Sự cháy hao Si, Mn, C chỉ lưu ý khi hàm lượng SiO2 trong xỉ cao
- Hành vi của Al, Ti:
Những nguyên tố có ái lực với O2 như Al, Ti có thể bị oxy hoá ngay cả khi có tồn tại
ôxit ít bền vững trong xỉ (như FeO, MnO, SiO2) Sự cháy hao tiếp các nguyên tố này xảy ra do quá trình oxy hoá thông thường khi nấu luyện
- Để tránh sự oxy hoá ta tiến hành khử oxy liên tục cho xỉ, sử dụng điện cực sạch, nấu trong môi trường khí bảo vệ
- Đối với những nguyên tố khác có ái lực với oxy cũng có thể rút ra những nhận xét tương tự và khi tính toán hoạt tính hoá học các nguyên tố phản ứng với oxy có thể sắp xếp theo thứ tự giảm dần sau đây: La, Ca, Ce, U, Zn, Ba, Al, Mg, Ti, Si, B, V, Mn, Nb, Cr, Fe, W, Co,
Sn, Pb, Zn, Ni, Cu
- Hành vi lưu huỳnh:
S là tạp chất có hại nhất, nó ảnh hưởng xấu đến tất cả các tính chất của thép
Điều kiện khử S là:
- Xỉ có độ kiềm cao
- Kim loại và xỉ có nhiệt độ cao
- Hàm lượng FeO trong xỉ thấp
Trong điều kiện điện xỉ, nhiệt độ của xỉ cao hơn đáng kể so với các phương pháp luyện thép khác Xỉ làm việc ở độ quá nhiệt từ 4006000C, nhiệt độ trung bình của xỉ trong quá trình tinh luyện đạt 1.800-2.0000C, rất thuận lợi cho phản ứng khử S Mặt khác bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và xỉ rất lớn, tới 300m2/tấn kim loại lỏng, trong khi đó giá trị này ở lò điện hồ quang chỉ có 0,3-0,4m2/tấn Vì vậy khả năng khử S do thành phần xỉ quyết định Lý thuyết và thực tế cho thấy hiệu quả khử S trong điện xỉ đạt từ 6080%, tuỳ thuộc vào các thông số công nghệ khác nhau Sau điện xỉ hàm lượng S trong thép có thể đạt tới 0,0070,003%
Cơ chế phản ứng khử S phụ thuộc vào quá trình phản ứng hoá học và phản ứng điện phân
Các phản ứng hoá học:
Có 2 loại phản ứng, khống chế hàm lượng lưu huỳnh trong quá trình điện xỉ - phản ứng giữa xỉ và kim loại và phản ứng giữa khí và xỉ:
a) Phản ứng giữa xỉ và kim loại
S + (O2-) (S2-) + O;
b) Phản ứng giữa khí và xỉ
{S2-} + 3/2 {O2} {SO2} + (O2-) Chúng ta hãy xem xét phản ứng "a"
2
2
0
.
S
K
a a
Từ đây:
K
Đối với dung dịch lỏng và khi giá trị N(S 2-) và N S không lớn, phương trình này có thể biểu diễn như sau:
(S2-)/S = hằng số x N(O
2-)/NO
ở đây:
Trang 7(S )/S: Hệ số phân bố;
(S2-) : Hàm lượng lưu huỳnh trong xỉ, % (về trọng lượng);
S: Hàm lượng lưu huỳnh trong kim loại, % (về trọng lượng);
N(O 2-),NS2-: Nồng độ mol của ion O2- và S2- trong xỉ;
N O , N S : Nồng độ mol của nguyên tử O và S trong kim loại
) ( } { 2 / 3
) ( } {
2 2
2 2 .
.
S O
O SO a P
a P K
Tương tự như vậy trong phản ứng "b":
Từ đây
Phương trình này có thể biểu diễn như sau:
) (
} { 2 / 3
) (
} {
2 2
2 2
O
O
S
SO
a
P K a
P
{S}/ (S) = hằng số x P3/2{O}/ N(O2-)
ở đây:
{S}: Hàm lượng lưu huỳnh trong pha khí, % (về trọng lượng);
(S) : Hàm lượng lưu huỳnh trong xỉ, % (về trọng lượng);
P{O2}: áp suất hơi của oxy trong pha khí;
N(O2-): Nồng độ phần mol của ion O2- trong xỉ
Từ phương trình "a" có thể thấy rằng việc chuyển dịch lưu huỳnh từ kim loại vào xỉ xảy ra khi độ kiềm xỉ lớn N(O2-) và hàm lượng oxy trong kim loại thấp
Đối với xỉ có chứa lượng Al2O3 và SiO2 tối thiểu, thì nồng độ phần mol của N(O2-) tỉ lệ thuận với nồng độ đá vôi N(CaO)
Giá trị hệ số phân bố cao (có nghĩa là việc khử lưu huỳnh khỏi kim loại tốt) đạt được khi hàm lượng lưu huỳnh cao, hàm lượng SiO2 và các ôxit sắt trong xỉ thấp
Phương trình "a" cũng chỉ ra rằng việc chuyển lưu huỳnh từ xỉ vào trong pha khí đảm bảo áp suất hơi oxy trong khí quyển P{O2} cao và độ kiềm của xỉ N(O2-) thấp
Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng phần lớn lưu huỳnh được khử khỏi kim loại và tạo thành pha khí khi tinh luyện điện xỉ trong khí quyển Khi sử dụng khí argôn bảo vệ thì việc khử lưu huỳnh khỏi kim loại không đáng kể Do vậy phản ứng giữa pha khí và xỉ quan trọng hơn phản ứng giữa xỉ và kim loại
Để đảm bảo việc khử lưu huỳnh một cách tối ưu trong điện xỉ cần thiết phải tuân thủ các yêu cầu:
Phản ứng giữa xỉ và kim loại: - yêu cầu độ kiềm của xỉ cao và hàm lượng oxy trong kim loại thấp
Phản ứng giữa khí và xỉ: - yêu cầu độ kiềm của xỉ thấp và áp suất của oxy trong pha khí cao
Như vậy, để khử lưu huỳnh tốt khi luyện lại trong không khí, yêu cầu độ kiềm của xỉ trung bình hoặc cao và hàm lượng oxy trong xỉ thấp
Việc khử lưu huỳnh cần phải thoả mãn những hàm lượng CaO và MgO trong xỉ lớn, hàm lượng SiO2 và ôxit sắt trong xỉ thấp, điện cực cần phải được làm sạch sơ bộ khỏi các vẩy sắt để làm giảm hàm lượng ôxit sát trong xỉ
Ngược lại để giữ lưu huỳnh trong kim loại, cần phải tiến hành luyện lại trong môi trường khí argôn và đưa thêm lưu huỳnh vào trong xỉ ở dạng sunfít can xi với số lượng cần thiết để đạt được cân bằng với hàm lượng lưu huỳnh tron kim loại
Các phản ứng điện phân:
Việc luyện lại bằng tinh luyện điện xỉ có thể được thực hiện với việc sử dụng dòng
điện một chiều hay xoay chiều Chúng ta hãy xem xét việc sử dụng dòng điện một chiều với
điện cực là Katốt (-) tại biên giới phân pha giữa kim loại và xỉ sẽ xảy ra phản ứng:
S + 2e (S2-)
Trang 8Phản ứng giữa xỉ và kim loại:
S + (O2-) (S2-) + O
Trên bề mặt xỉ-khí, S trong xỉ phản ứng với oxy trong không khí:
(S2-) + 3/2 {O2} = {SO2} + (O2-)
Do đó khi sử dụng dòng điện một chiều sự khử S chỉ xảy ra nếu điện cực tự hao là dương, không xảy ra khi điện cực tự hao là âm
Do vậy, việc khử lưu huỳnh tốt nhất là quá trình tinh luyện điện xỉ với dòng xoay chiều
Về khả năng khử S, các hệ xỉ khác nhau có thể sắp xếp theo thứ tự sau (với mức độ giảm dần) CaF2 - CaO; CaF2 - MgO; CaF2 - Al2O3; CaF2
- Hành vi của Phốt pho:
Khử P khi tinh luyện điện xỉ là một quá trình oxy hoá, có nghĩa là nó xảy ra khi điện xỉ cũng như khi nấu luyện thép thông thường:
2 P + 5 O + 3 (O2-) 2 (PO43-)
2
3 4
3 5 2
) ( 2
.
P
PO a a a
a K
Do đó:
3 2 5 )
(
2
3
O O P
PO
a a K a
a
ở đây:
K: Hằng số bằng;
a: Hoạt độ;
a(PO3-)/ aP: Hệ số phân bố của P giữa xỉ và kim loại
Điều kiện khử P là: - Xỉ bazơ, xỉ có tính oxy hoá, nhiệt độ thấp Các điều kiện này gần như trái ngược với điều kiện khử S trong điện xỉ
- Trong điện xỉ P không tách được ra ngoài không khí như đối với S, vì vậy khả năng khử P khó khăn Mặt khác sự tăng nhiệt độ của xỉ có thể dẫn tới P hoàn nguyên trở lại kim loại
Như vậy điện xỉ không thuận lợi cho việc khử P
Tuy nhiên về nguyên tắc, có thể khử P khi đưa vào xỉ một lượng oxit sắt và duy trì nhiệt độ quá trình không cao Gần đây nhiều kết quả nghiên cứu công bố về việc khử P thành công khi sử dụng xỉ hệ CaF2-BaO
- Hành vi của H 2 :
Quá trình điện xỉ khác với quá trình nấu luyện ở lò hồ quang, hyđrô không được khử
bỏ Tuy nhiên có thể thấy rằng khi sử dụng phương pháp rung động có thể thúc đẩy hyđrô nguyên tử tạo thành các bọt khí hyđrô phân tử mà tách khỏi hệ thống
Nếu khi điện xỉ không sử dụng các biện pháp phòng ngừa, thì hàm lượng hyđrô trong kim loại có thể dễ dàng lên Việc tăng hàm lượng hyđrô có thể biểu thị ở dạng rỗ tổ ong trong thỏi đúc và ở dạng nứt Hyđrô được tạo thành khi phản ứng của nước sắt nóng chảy:
Fe + (H2O) (FeO) + 2 H
Nguyên vật liệu thô, hỗn hợp phoi với vật liệu phát nhiệt, các lỗ trong điện cực tự hao,
bề mặt điệc cực, sự ngưng tụ, môi trường, sự rò rỉ trong hộp kết tinh và tấm đáy, có thể là nguồn gốc sinh ra nước khi tiến hành điện xỉ
Từ nguyên vật liệu thông thường để tạo ra xỉ (CaF2, CaO, MgO, Al2O3), CaO là nguồn
đưa nước vào nhiều nhất Nước phản ứng với CaO và dễ dàng tạo thành Ca(OH)2, thậm chí vôi mới nung cũng có thể chứa đến gần 2% nước, thông thường chứa khoảng 2,5-3% Mất mát tổng khi nung (H2O+CO2) đối với các vật liệu khác nhau có thể đạt ít hơn 0,2% (về trọng lượng) còn thông thường ít hơn 0,1% (về trọng lượng)
Nước có thể được khử khỏi xỉ bằng cách nấu chảy sơ bộ nó, nước khi này được khử theo phản ứng:
Trang 9(CaF2) + (H2O) 2 {HF} + (CaO) Cần phải có các biện pháp hữu hiệu để loại bỏ các nguồn đưa nước vào trong điện cực, thùng kết tinh và các nguyên liệu khác trong quá trình tinh luyện điện xỉ để giảm hàm lượng H trong thép
- Hành vi của Cacbon:
Các bon không bị khử khỏi kim loại hoặc hợp kim trong quá trình tinh luyện bằng điện
xỉ Tuy nhiên khi có mặt Cacbon trong xỉ, hàm lượng của nó trong kim loại có thể tăng lên Cacbon trong xỉ thường tồn tại ở dạng Cacbit và do các quá trình chế tạo xỉ trong lò nồi graphit hoặc lò điện hồ quang tạo nên Cacbon xâm nhập vào xỉ càng tăng khi hàm lượng CaO
tự do trong xỉ càng cao
Nguyên nhân là do phản ứng tạo Cacbit canxi phát triển mạnh:
CaO + 3 C CaC2 + CO Nếu không có các quá trình nói trên thì hàm lượng C trong thép tinh luyện điện xỉ thay
đổi không đáng kể
Bảng 7.2 Sự thay đổi hàm lượng Cacbon trong một số hợp kim khác nhau sau điện xỉ
Loại thép
Hàm lượng Cacbon (%) Trong điện
Thép chịu ăn mòn 18/10 được ổn định bằng Ti 0,06 0,07
7.2.3 ảnh hưởng của điện xỉ đến hàm lượng khí và tạp chất phi kim trong thép
Hyđrô:
- Hyđrô là một tạp chất có hại tạo nên các rỗ xốp trong kim loại, độ hoà tan của hyđrô trong thép giảm nhanh khi hạ nhiệt độ Hyđrô thoát ra với lượng lớn gây ra các vết nứt tế vi gọi là "đốm trắng" trên mặt gẫy Các khuyết tật này thể hiện rất rõ trên bề mặt của thép cán,
đặc biệt trong thép hợp kim Cr-Ni
- Hàm lượng H2 trong thép phụ thuộc vào độ hoà tan của nó trong kim loại ứng với các nhiệt độ khác nhau và phụ thuộc vào áp suất riêng phần của H2 trong kim loại hoặc là khả năng che phủ bảo vệ của xỉ
- Nguồn cung cấp H (xin xem mục phản ứngthuỷ phân )
- Khả năng khử H2 phụ thuộc lớn vào thành phần của xỉ Xỉ axit có tác dụng bảo vệ kim loại khỏi sự xâm nhập của H2 Còn xỉ bazơ thúc đẩy xâm nhập của H2
- Trong phần dưới của thỏi đúc hàm lượng H2 tăng, điều này liên quan tới việc đưa H2 vào từ xỉ rắn ban đầu
- Phần trên của thỏi hàm lựng H2 giảm xuống thấp hơn hàm lượng ban đầu do xỉ đã
được nấu chảy hoàn toàn, điều này đã được nhiều số liệu chứng minh (Bảng 7.3)
Bảng 7.3 Ví dụ về ảnh hưởng của điện xỉ đến hàm lượng H 2 trong thép và hợp kim
ban đầu Trước điện xỉ Sau điện xỉ
0,00029 0,00015
0,00013 0,00023 0,00012
36,1 79,3 80,0
Trang 10- Từ bảng trên ta thấy:
+ Mức độ khử H2 trong điện xỉ càng cao khi hàm lượng H2 ban đầu trong điện cực cao + Với loại thép austenit việc khử H2 khó hơn vì H2 hoà tan trong nó rất lớn
+ Qua điện xỉ có thể tách được tới 70% H2, tuỳ thuộc vào hàm lượng H2 ban đầu trong
điện cực, vào mác thép và thành phần xỉ
- Ngoài ra việc khử H2 còn phụ thuộc vào tốc độ kết tinh, và diễn biến của quá trình
Ni tơ:
Trong đa số thép và hợp kim ni tơ là tạp chất có hại, làm xấu tính chất của thép Tuy nhiên với nhóm thép Cr-Ni, ni tơ được đưa vào như một nguyên tố hợp kim với mục đích thay thế một phần ni ken
- Gần đây có xu hướng đưa ni tơ vào để tăng bền cho thép
- Hàm lượng ni tơ trong thỏi thép điện xỉ phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
+ Hàm lượng N trong thỏi thép điện cực
- Thành phần xỉ và chế độ nấu luyện
Bảng 7.4 Ví dụ về sự thay đổi hàm lượng Ni tơ khi điện xỉ
với ban đầu Trước điện xỉ Sau điện xỉ
12X2H4A
0,0130 0,0120 0,0080
0,0100 0,0080 0,00070
77 66,3 87,5
X15
0,0123 0,0099 0,0090
0,0084 0,0086 0,0060
68,5 86,8 68,7
- Nói chung, trong nhiều trường hợp hàm lượng N giảm so với ban đầu
- Với thép Cr-Ni được hợp kim hoá bởi Nb không khử được N vì sự ổn định cao của NbN, đồng thời tỉ trọng của NbN lớn (8g/cm3) nên không có khả năng nổi lên
- Khả năng khử N của thép OX 18H9 và thép Cr tốt vì liên quan đến sự phân li của CrN
+ Về ảnh hưởng của thành phần xỉ
- Xỉ không chứa Fe và các bít, có khả năng hấp thụ ni tơ và từ đó N từ khí quyển được khuyếch tán vào kim loại
- Đưa vào trong xỉ một lượng SiO2 sẽ làm giảm sự hoà tan của N vào kim loại
+ Về ảnh hưởng của chế độ nấu luyện:
- Khi nấu chảy mặt mút của điệc cực tự hao ở gần bề mặt xỉ có thể xảy ra sự hấp thụ N
từ không khí Khi công suất của của máy áp không thay đổi thì ở giai đoạn cuối phải tăng điện
áp của xỉ lỏng Chiều sâu của điện cực nhúng trong xỉ lỏng giảm, do đó làm tăng hàm lượng N
ở phần trên của thỏi
+ Nói chung hàm lượng N trong kim loại sau điện xỉ giảm ít và có thể điều chỉnh được nhờ việc chọn loại xỉ và chế độ nấu luyện thích hợp Các tạp chất dạng nitơrit sau điện xỉ giảm không đáng kể nhưng sự phân bố trong kim loại đồng đều hơn
Oxy:
- Quá trình điện xỉ là quá trình oxy hoá, tuy nhiên sau điện xỉ hàm lượng O2 không tăng mà giảm đáng kể (Xem bảng 7.5)
