Электропроводность высокоглиноземистых и высокохромистых шлаков

Шлак в процессе производства низкоуглеродистого феррохрома играет роль участка электрической цепи. От его электрической проводимости зависит количество тепла, выделяемого в шлаковой ванне, длина электрических дуг, удельный расход электрической энергии [1]. На рис. 1 приведен элемент схемы замещения рафинировочной печи. Её анализ показывает, что при увеличении сопротивления шлака увеличивается падение напряжения в шлаке, уменьшается напряжение на электрических дугах. Как следствие – дуги короткие, возможна потеря дугового режима, электроды погружаются в расплав, происходит науглероживание металла.

Цель данного исследования – определение электрической проводимости шлаков производства низкоуглеродистого феррохрома при использовании кремния и алюминия для восстановления хрома из шлака [2].

Обычный шлак силикотермического процесса содержит (мас. %): MgO – 12…15; Al 2 O 3 – 3…7; SiO 2 – 20…29; CaO – 45…50; Cr 2 O 3 – 3…8; FeO – 0,5…1,5.

Химический состав шлаков силико-алюмино-термического производства, мас. %:

MgO         Al 2 O 3          SiO 2

13,71…14,98   11,7…19,35   15,28…19,08

CaO         Cr 2 O 3          FeO

37,01…41,59   9,2…15,84    1,08…2,87

Особенность шлаков опытных плавок заключается в повышенном содержании Al₂O₃ и Cr₂O₃. Высокое содержание глинозема в опытных шлаках обусловлено использованием алюминия в качестве восстановителя. Повышенное содержание Cr 2 O 3 , по - видимому, объясняется тем, что с увеличением содержания алюминия в расплаве образуются прочные соединения, например Cr 2 O 3 ∙Al 2 O 3 . Увеличение Al 2 O 3 и Cr 2 O 3 в шлаке может приводить к нарушению оптимального дугового режима.

Для определения электропроводности шлаковых расплавов применили метод, основанный на измерении электросопротивления жидкости между двумя электродами по схеме вольтметр – амперметр [3]. Готовили синтетические шлаки, основными компонентами которых были Al2O3, SiO2, MgO, CaO, Cr2O3. После взвешивания и дозирования каждого компонента конечную смесь перемешивали в мешалке до получения однородного состава. Эксперименты проводили в печи Таммана с графитовым нагревателем, температуру расплава измеряли вольфрам-рениевой термопарой. Значение электропроводности определяли в интервале температур 1400…1900 °С через каждые 50 °С.

Экспериментальные данные фиксировали с помощью установки автоматического измерения электропроводности. Состав исследуемых шлаков приведен в табл. 1.

Основность опытных шлаков, определяемую как ( CaO + MgO/SiO 2 + A1 2 O 3 ) изменяли в преде-

Рис. 1. Элемент схемы замещения рафинировочной печи: Э 1 и Э 2 – электрод 1 и 2; Х 1 и Х 2 – индуктивное сопротивление; R д1 и R д2 – сопротивление на дуге; R шл1 , R шл2 , R шл3 – сопротивление шлака; R м – сопротивление металла

Акимов Е.Н., Мальков Н.В., Рощин В.Е.

Электропроводность высокоглиноземистых и высокохромистых шлаков

Таблица 1

Состав исследуемых шлаков, мас. %

№ шлака MgO Al2O3 SiO2 CaO Cr2O3 FeO 1 14,51 4,58 26,50 45,4 7,60 1,45 2 13,19 13,25 24,05 41,3 6,91 1,32 3 12,09 20,48 22,05 37,8 6,33 1,21 4 15,9 14,7 18,9 50,5 — — 5 17,7 14,9 17,4 47,0 3,0 — 6 17,18 14,47 16,89 45,63 5,83 — 7 16,54 13,93 16,26 43,93 9,35 — лах 1,17…2,0, отношение MgO Al2O3 изменяли в пределах 0,59…3,17.

Удельную электропроводность вычисляли по формуле х = K • IU я,                             (1)

где U _я – напряжения на измерительной ячейке, В; I – ток в измерительной ячейке, А; K – константа измерительной ячейки, см^–1; χ – удельная электропроводность, См/см.

Константу измерительной ячейки определяли по формуле

K = Х ст • и я 11 ,                               (2)

где – электропроводность калибровочного распл а ва при заданной температуре, См/см.

В качестве стандартного расплава для калибровки измерительной ячейки использовали химический чистый CaF2. Зависимость K от температуры описывается уравнением

K = 0,0025 T - 0,66.                      (3)

Значения электропроводности экспериментальных шлаков при разной температуре приведены в табл. 2.

Полученная в экспериментах зависимость удельной электропроводности от содержания Al2O3 и Cr2O3 в шлаке при 1700 °С представлена на рис. 2.

Зависимость электропроводности от содержания Al2O3 описывается уравнением

χ = –0,08∙[% Al2O3] + 6,069, а от содержания Cr2O3:

Таблица 2

Электропроводность исследуемых шлаков

Номер шлака	Значение удельной электропроводности (См/см) при температуре, °С
	1900	1850	1800	1750	1700	1650	1600	1550	1500	1450	1400
1	6,54	6,25	5,99	5,78	5,66	5,20	4,94	4,51	4,04	3,35	2,50
2	6,04	5,77	5,55	5,28	5,09	4,65	4,28	3,82	3 ,29	2,74	2,01
3	5,56	5,23	5,01	4,76	4,37	3,96	3,50	3,07	2,48	2,06	1,57
4	5,65	5,54	5,37	5,19	4,97	4,56	4,28	3,93	3 ,57	3,13	2,64
5	5,05	4,97	4,81	4,65	4,57	4,20	3,99	3,7	3,44	3,07	2,67
6	4,29	4,20	4,03	3,86	3,70	3,49	3,34	3,17	3,00	2,74	2,38
7	3,85	3,71	3,57	3,43	3,31	3,10	2,99	2,92	2,69	2,50	2,11

Рис. 2. Зависимость электропроводности от содержания Al 2 O 3 (прямая 1) и Cr 2 O 3 (прямая 2) в шлаке при 1700 °С

χ= –0,188∙[% Cr 2 O 3 ] + 4,992.

Как следует из представленных на рис. 2 данных, с увеличением содержания Cr₂O₃ и Al₂O₃ удельная электропроводность шлаков снижается. Влияние оксида хрома на электропроводность шлака проявляется сильнее, чем влияние глинозема. Это объясняется, по-видимому, тем, что в сложной многокомпонентной системе образуются крупные малоподвижные ионы. При увеличении содержания Al 2 O 3 в шлаке силикотермической плавки от 4,58 до 20,48 % при использовании комплексного восстановителя электропроводность при 1700 °С уменьшается на 1,29 См/см или на 22,8 %. Электропроводность шлака при 1700 °С с увеличением содержания Cr₂O₃ от 0 до 9,83 % уменьшается на 1,66 См/см или на 33,4 %.

Таким образом, экспериментально исследована электрическая проводимость шлаков производства низкоуглеродистого феррохрома с переменным содержанием оксидов алюминия и хрома. Влияние оксида хрома на электропроводность шлака проявляется сильнее, чем влияние глинозема. Зависимость электропроводности от содержания Al2O3 описывается уравнением

χ= –0,08∙[% Al2O3] + 6,069, а от содержания Cr2O3, соответственно,

χ= – 0,188∙[% Cr 2 O 3 ] + 4,992.

Оптимальное содержание – 3…7 % Cr 2 O 3 и 15…20 % Al₂O₃ в шлаке алюмо-силикотермического производства низкоуглеродистого феррохрома. Данные могут быть использованы для корректировки технологического режима выплавки низкоуглеродистого феррохрома.