Вакуумом и кислородом

Для интенсификации процесса обез­углероживания вакуумные установки в ряде случаев дополняют устройства­ми для одновременной продувки ме­талла кислородом. На таких установ­ках удается в необходимых случаях получать особо высокую степень обезуглероживания. Для реакции [С] + 1/2 0_2(г) = СО_Г

К= , откуда
т. е. равновесие реакции при вакуумировании сдвигается вправо, продувка кислородом вызывает дальнейший сдвиг равновесия и обеспечивает еще большее снижение содержания [С]. Этот принцип положен в основу так называемого вакуум-кислородного обез­углероживания¹. Применительно к установкам циркуляционного вакууми­рования процесс обезуглерожива­ния ускоряется при введении кис­лорода для продувки или обдувки металла непосредственно в камере циркуляции. Процесс получил на­звание RH-OB * (рис. 19.10 — см. на цветной вклейке).

Получение очень низких концент­раций углерода особенно важно для ряда марок высокохромистой (напри­мер, коррозионностойкой) стали, а также некоторых марок специальных сталей и сплавов. Операция обезугле­роживания высокохромистых сталей в обычных условиях затрудняется тем, что одновременно с углеродом окисляется хром и образуются оксиды хрома. Для получения низкоуглероди­стой высокохромистой стали требует­ся значительный перегрев металла (рис. 19.11). При обработке вакуумом равновесие реакции

(Сг₂О₃) + 3[С] = 2[Сг] + ЗСО_Г,

для которой

сдвигается вправо, поскольку умень­шается р_со и хром не только не окис­ляется, но *и восстанавливается из шлака.

Таким образом, в вакууме можно получить низкие концентрации угле­рода без заметных потерь хрома; при этом одновременно с обезуглерожива­нием протекают процессы удаления из ванны газов и неметаллических вклю чений, т. е. при вакуумировании ста­ли, содержащей углерод, обеспечива­ются благоприятные условия для восстановления хрома.

¹ За рубежом распространено обозначе­ние процесса как VOD (от англ. Vacuum, Oxygen, Decarburisation — вакуум, кислород, обезуглероживание).

²RH-OB (от англ, oxygen blowing— про­дувка кислородом).

Рис. 19.11. Диаграмма С—О для стали с 18 % Сг и 10%Ni:

1 — линия, характеризующая стехиометрическое соот­ношение углерода и кислорода в реакции С + '/2 ®г ⁼ = СО; 2—5— зависимости между содержанием угле­рода и кислорода (2- 1800 "С, 101 кПа; 3— 1600 "С, 101 кПа; 4-1600'С, 13,3 кПа; 5-1600°С, 6,65 кПа); штриховые линии характеризуют равновесие реак­ции окисления хрома при различных температурах

чений, т. е. при вакуумировании ста­ли, содержащей углерод, обеспечива­ются благоприятные условия для во'с-становления хрома.

При обработке высокохромистого расплава следует учитывать, что при относительно низких температурах и атмосферном давлении не углерод, а хром определяет окисленность метал­ла, и если требуется окисление углеро­да, то количества кислорода, содержа­щегося в высокохромистом металле, может оказаться недостаточно для окисления углерода.

На диаграмме (см. рис. 19.11), по­казывающей соотношение количества углерода и кислорода для плавки ме­талла с 18 % Сг и 10 % Ni с учетом вли­яния давления СО и температуры, на­несены линии, характеризующие рав­новесные условия окисления хрома при разных температурах; нанесены также равновесные кривые обезугле­роживания для нелегированной стали при 1600 и 1800 ºС и давлениях от 0,1 МПа (1 атм) до 0,1 кПа (50 мм рт. ст.). Штрихпунктирная линия, пересекающая диаграмму, характеризует стехи­ометрическое соотношение масс уг­лерода и кислорода, взаимодейству­ющих по реакции С + ¹/₂О₂ = СО. Исходя из этой диаграммы, для по­лучения легированной стали, содер­жащей 0,1 % С, температура ванны должна быть 1810 ºС. При этом со­держание растворенного кислорода составляет -0,12%. При снижении равновесного давления СО соответ­ственно до 0,1 кПа (значение, реаль­но достигаемое на практике) содер­жание углерода уменьшается в на­правлении, параллельном штрихпунктирной линии стехиометрического соотношения С + '/2 О₂ до ~ 0,03 % С. Если температура расплава составля­ет 1650 ºС, то содержание кислорода (при 0,1 % С) определяется равно­весной кривой окисления хрома. По диаграмме это соответствует содер­жанию растворенного кислорода 0,035 %. При таком количестве кис­лорода содержание углерода в про­цессе вакуумирования может быть снижено лишь до 0,08 %.

Таким образом, для получения более низких содержаний углерода при вакуумировании необходимо либо повышение температуры (при этом содержание углерода должно быть снижено хотя бы до 0,1 %, что­бы было достаточное количество кислорода), либо снабжение металла кислородом (введение руды или га­зообразного кислорода). Второй путь предпочтительнее. Поскольку реак­ция обезуглероживания идет пре­имущественно на границе раздела фаз, желательно обеспечить хорошее перемешивание ванны. Чаще всего для этой цели используют способ продувки металла инертным газом через пористую пробку в днище ков­ша. На рис. 19.12 (см. на цветной вклейке) показан один из вариантов конструкции установки вакуум-кис­лородного обезуглероживания. Уста­новка оснащена транспортной систе­мой подачи легирующих материалов от бункеров в ковш через вакуумный затвор¹.

¹ Метод известен как VOD-процесс (см. сноску 1 на с. 293).