Использование вакуума для рафинирования стали

Вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] - обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней содержания газов (Н₂, N₂, О₂) и неметаллических включений, а при специальных методах выплавки и некоторых других элементов (например, Mn, Pb, Zn, Сu).

Основная идея технологии вакуумной обработки стали основана на термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенным в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде СО и СО₂, обеспечивая, наряду с раскислением, обезуглероживание стали по реакции 4.1.

[С] + [О] = СО_газ;  K = p_CO / a_[C] ·a_[O]                   (4.1)

Как отмечалось выше, равновесие реакции 4.1 сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя оксид углерода (II). Из этого следует, что обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит к частичному или полному их разрушению по реакции 4.2.

        (МеО) + [С] = [Me] + СО_Г.                         (4.2)

При этом такие оксиды, как МnО или Сr₂О₃, восстанавливаются почти полностью. Для восстановления более прочных включений, (А1₂О₃ или ТiO₂) требуется очень глубокий вакуум.

Обработка металла вакуумом также влияет на содержание в стали водорода и азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются маленькими «вакуумными камерами», так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водород и азота равны нулю (P_H2 = 0 и P_N2 = 0).

Максимальная степень рафинирования стали, достигается благодаря выполнению следующих условий:

- создание максимального разряжения над жидким металлом;

- максимальная поверхность взаимодействия между металлом и вакуумом;

- достаточное время взаимодействия металла с вакуумом.

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При продувке, массу металла пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). При этом под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления увеличивается в 4-5 раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима [1, 3].

Таким образом использование вакуума позволяет обеспечить глубокую дегазацию металла (удаление [O], [H], [N]), снизить содержание углерода и неметаллических включений. Кроме того происходит усреднение химического состава и выравнивание температуры по всему объему металла.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется. Примеси цветных металлов в некоторых случаях, особенно при производстве высокопрочных сплавов, заметно ухудшают свойства металла, и обработка вакуумом является по существу единственным способом уменьшить это вредное влияние.

Поэтому обработка стали вакуумом используют при производстве сталей высокого качества, необходимых для производства целого ряда изделий авиационной, радиоэлектронной, приборостроительной промышленности, а также для изготовления конструкций (например, трубопроводов, мостов и т. п.), работающих на крайнем Севере, для космической техники и т. п.

В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рисунке 4.1.[5].

I – вакуумирование в струе: 1– при переливе из ковша в ковш; 2 – при разливки в изложницу; 3 – поточное вакуумирование;  

II – вакуумирование в вакуум-камере: 4 – циркуляционное вакуумирование; 5 – порционное вакуумирование; 6 – поточное вакуумирование;

III – вакуумирование металла в ковше: 7, 8 – вакуум-кислородное рафинирование; 9, 10 – вакуум-кислородное рафинирование; 11, 12 – комбинированные с дуговым нагревом и вакуумированием.

Рисунок 4.1 – Способы вакуумирования стали

На современном рынке высококачественных сталей постоянно растет спрос на продукцию, отвечающую строгим требованиям по минимизации содержания углерода и вредных примесей, поэтому во всем мире увеличиваются объемы выпуска вакуумированной стали.