ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ГАЗОВ В ЧУГУНЕ

Экспериментально установлено влияние электрического поля на содержание газов в чугуне на основе электрохимических исследований в системе жидкий чугун – шлак – газовая фаза. Автором проведены исследования, имеющие своей конечной целью получение экономнолегированного никелем чугуна, не уступающего по своим механическим и эксплуатационным характеристикам чугуну типа «нирезист». С этой целью исследованы аустенитные чугуны, предварительно выплавленные в индукционной печи с электрокорундовой футеровкой. Приготовленные из полученного чугуна специальные образцы были подвергнуты дальнейшей обработке электрическим полем с целью изучения влияния статического электрического поля на фиксацию атомарного азота в сплаве и, в конечном итоге, на структуру металлической матрицы. Как следует из полученных данных, этот эффект можно усилить приложением электрического ноля, причем наложение отрицательного заряда на металл оказывается более эффективным, хотя и при аноде – металле происходит некоторое «удержание» азота в чугуне. Это можно объяснить тем, что в первоначальный момент времени между подвижным (свободным) электродом и поверхностью расплава существует стационарное электрическое поле, в котором заряженные частицы неподвижны в данной системе отчета, что фиксируется включенными в схему амперметрами как отсутствие тока. Наложение статического электрического поля способствует удержанию азота в чугуне. При 8 – 9 % Ni, как показали дальнейшие опыты, необходимо приложить значительное напряжение, чтобы это влияние проявилось. Исследования показали, что вопрос о стабилизации аустенита азотом в чугуне не так прост и, видимо, влияние поля при введении азотированного феррохрома сказывается на разложении нитридов, перезарядке ионов азота и неравновесных условиях их диффузии и выхода в газовую фазу. Это подтверждается большим разбросом в анализах азота. Некоторые образцы содержали 0,04 – 0,05 % N (с введением азотированного феррохрома и «минусом» на металле), но большинство анализов показывают более низкие значения. Для литейного производства представляет также интерес раскисление электрохимическими методами таких сплавов, которые трудно раскислить другими методами, например, алюминиевый чугун. Алюминий является активным элементом, который при неблагоприятной раскладке массопотоков нелегко удалить даже кальцием. Это приводит к появлению в металле включений Al₂O₃ , имеющих плотность, близкую к расплаву, что осложняет их коагуляцию и всплывание. Было опробовано двойное раскисление. После выдержки расплава в течение 1 ч его ЭДС «вернулась» почти к исходному состоянию (0,8 В). Дальнейшее раскисление расплава в течение 15 мин снизило его окисленность в 3 раза по сравнению с начальным. Таким образом, в опытах доказана принципиальная возможность раскисления чугуна и целесообразность двойного раскисления. В итоге предложен способ воздействия электрическим полем на содержание газов в чугуне и способ практического применения электрохимического раскисления железоуглеродистых сплавов.

1. А. с. 249405. СССР. Способ плавки металла / В.А. Грачев, А.А. Черный и др. Бюл. изобр.1969. № 25.

2. Грачев В.А. Физико-химические основы плавки чугуна. – М.: Ноосфера, ИФХЭ РАН, 2016. – 238 с.

3. Zhao-cai Wang, Zheng-gen Liu, Jue Tang. Analysis of gas thermodynamic utilization and reaction kinetic mechanism in shaft furnace // Journal of Iron and Steel Research, International. 2014. Vol. 2. No. 1. P. 16 – 23.

4. Liang L.K., Che Y.C., Yang H., Li X.W. Metallurgical thermodynamics and kinetics. Northeastern University of Technology Press: Shenyang, 1990. P. 86 – 90.

5. Bonalde A. Henriques A., Manrique M. Kinetic analysis of the iron oxi de reduction using hydrogen-carbon monoxide mixtures as re ducing agent // ISIJ International. 2005. Vol. 45. No. 9. P. 1255 – 1260.

6. Piotrowski K., Mondal K., Lorethova H. etc. Effect of gas compo sition on the kinetics of iron oxide reduction in a hydrogen production process // International Journal of Hydrogen Energy. 2005. Vol. 30. No. 15. P. 1543 – 1554.

7. Hu J.G. Development of gas-based shaft furnace direct reduction technology // Proceedings of the 5th Int. Congress on the Science and Technology of Ironmaking. – Shanghai: CSM Press, 2009. P. 1293 – 1296.

8. Liu Y., Zhang Z., Li G. etc. Effect of current on structure and macrosegregation in dual alloy ingot processed by electro slag remelting // Metals. 2017. No. 7(6). P. 185.

9. Huang X., Hu Z., Zhang Y. Effect of small amounts of nitrogen on properties of a Ni-based superalloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 1999.Vol. 30. No. 7. P. 1755 – 1761.

10. Fang J. Non-blast furnace ironmaking process and theory. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002. P. 22 – 26.

11. Guo X.L., Yu J.B., LiX. F. etc. Effect of nitrogen content on the micro structure and mechanical properties of a cast nickel-base superalloy // Ironmaking & Steelmaking. 2018. No. 45(3). P. 215 – 223.

12. El-Geassy A.A., Shehata K.A., Ezz S.Y. Mechanism of iron oxide reduction with hydrogen/carbon monoxide mixtures // Trans. International Journal of Hydrogen Energy.1977. Vol. 17. P. 629.

13. Selan M., Lehrhofer J., Friedrich K. etc. Sponge iron: economic, eco logical, technical and process-specific aspects // Journal Power Sources. 1996. Vol. 61. No. 1 – 2. P. 247 – 253.

14. Kopfle J.,Hunter R. Direct reduction’s role in the world steel industry // Ironmak. Steelmak. 2008. Vol. 35. P. 254 – 259.

15. HYL Technologies Inc., HYL III Status and Trends. Monterrey, Mexico, 2005.

16. Midrex Technologies Inc., 2005 World Direct Reduction Statistics. Charlotte, USA. 2006.

17. Holloway Paul H., Vaidyanathan P.N. Characterization of Metals and Alloys (Materials Characterization Series). Momentum Press, 2009. – 310 p.

18. Hans Conrad. Enhanced phenomena in metals with electric and magnetic fields: I Electric fields // Materials Transactions. 2005. Vol. 46. No. 6. P. 1083 – 1087.

19. Riyad O. Hussein, Derek O. Northwood. Production of anti-corrosion coatings on light alloys (Al, Mg, Ti) by plasma-electrolytic oxidation (PEO) // Developments in Corrosion Protection. In Tech. 2014. P. 201 – 239.

20. Jun Wang, H. Conrad. Effect of electric field on solute solubility in Al alloys measured by Hardness // Materials Science and Technology. 2012. Vol. 28. No. 9 – 10. P. 1198 – 1201.