Возможность получения низких концентраций углерода, азота, водорода, кислорода

Удаление кислорода. Непосредственное удаление из стали растворенного в ней кислорода путем внепечной вакуумной обработки осуществить очень трудно (практически невозможно), так как для этого необходимо обеспечить очень низкое Давление в вакуум-камере (не более 0,6-10"3 Па). Практически наблюдаемое снижение содержания кислорода в сталеплавильной ванне при вакуумировании имеет место в результате: 1) всплывания оксидных неметаллических включений; 2) взаимодействия кислорода, растворенного в металле и входящего в состав оксидных включений, с углеродом.

Наряду с реакцией образования СО образуется также некоторое количеств СО2. Поскольку роль реакции [С] + 2[О] = СО2 становится заметной при очень низких концентрациях углерода (<0,03 % С), эту реакцию в расчетах обычно учитывают общее содержание кислоро-модинамическую возможность восстановления включений углеродом, тем не менее указанные реакции вследствие различных кинетических трудностей получают ограниченное развитие. Несмотря на то что для получения низких концентраций кислорода в металле путем вакуумирования требуется достаточно длительная обработка, этот метод широко используют, особенно тогда, когда стремятся получить сталь, чистую от продуктов раскисления. Метод рафинирования стали от кислорода и оксидных включений при вакуумировании путем организации взаимодействия с растворенным в металле углеродом часто называют углеродным раскислением. Достоинство этого метода заключается в возможности получения более чистого от включений металла, поскольку продукты раскисления удаляются в газовую фазу. Так, например, особенно важно рафинирование металла от кислорода и перевод продуктов раскисления в газовую фазу при изготовлении крупных слитков для поковок.

Удаление водорода. Снижение содержания водорода в сталеплавильной ванне при вакуумировании имеет место в результате: 1) выделения пузырей водорода, зарождающихся в ванне (в случае высокого содержания водорода в металле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил поверхностного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеровки или на неметаллических включениях; 2) десорбции газов с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности ванны, к которой атомы газа перемещаются диффузионным или конвективным способом; 3) десорбции газа с поверхности пузырей СО внутри пузыря и вынос из ванны вместе с пузырями СО (в случае образования СО при вакуумировании); 4) десорбции газа с поверхности пузырей аргона в случае продувки металла аргоном; 5) всплывания гидридных неметаллических включений (в сплавах при содержании в них гидрообразующих элементов).

При снижении давления над расплавом, сдвигается равновесие реакции 2[Н]= Н2(г) вправо. Водород в жидкой стали обладает большой подвижностью, коэффициент диффузии водорода достаточно велик, D = (1^8)-10~3 см/с, и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из него.

Можно считать, что после обработки вакуумом содержание водорода снижается до 1-2 см3/ г, т.е. концентраций, при которых не имеет место образование флокенов и других нежелательных явлений. Практика показала, что при достижении давления в вакууматоре 66,6 Па обеспечивается достаточно полное удаление водорода.

Удаление азота. Снижение содержания азота при вакуумировании происходит в результате: 1) всплывания нитридных неметаллических включений (в сталях и сплавах при содержании в них нитридообразующих элементов; 2) выделения пузырей азота, зарождающихся в ванне (в случае высокого содержания азота в металле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил поверхностного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеровки или на неметаллических включениях; 3) десорбции газа с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности, к которой атомы газа перемещаются вследствие диффузии или конвекции; 4) десорбции газа с поверхности пузырей СО и удаления из ванны вместе с этими пузырями; 5) десорбции газа с поверхности пузырей внутрь пузыря в случае продувки металла аргоном

В результате, при непродолжительном вакуумировании содержание азота снижается незначительно. Кинетика удаления азота (также и водорода) определяется условиями протекания основных стадий процесса. К их числу относятся: 1) перенос атомов газа к поверхности раздела металл -газ; 2) диффузия через тонкий диффузионный слой, в котором отсутствует гидродинамическое перемешивание (чем интенсивнее перемешивание ванны, тем меньше толщина диффузионного слоя); 3) адсорбция атомов газа в поверхностном адсорбционном слое; 4) реакция молизации и образование молекул 2N2= N2 (для водорода 2H= Н2); 5) десорбция образовавшихся молекул в газовую фазу; 6)отвод продуктов (молекул газа) от поверхности. Таким образом, на результирующую скорости влияет целый ряд факторов, часто действующих одновременно. Большое значение интенсивность перемешивания ванны и связанная с этим удельная поверхность F/V (отношение поверхности к объему обрабатываемого металла, чем больше F/V, тем интенсивнее дегазация). Можно принять, что процесс дегазации при вакуумировании определяется диффузией газов через границу металл— газовая фаза.

Из уравнений следует, что скорости дегазации способствуют факторы: 1) поддающаяся оценке разность концентраций, Cj-c0; 2) уменьшенное давление над поверхностью жидкой стали; 3) высокий коэффициент массопереноса, достигаемый в результате перемещения: 4) высокое отношение F/V.

Удаление включений. Интенсивное перемешивание металла пузырями выделяющимися при вакуумировании газов, в свою очередь, обеспечивает удаление части неметаллических включений в результате флотации включений, "прилипших" к пузырям газа и уносимых вверх, в шлак.

Обезуглероживание. В процессе обработки вакуумом обеспечиваются условия для протекания реакции обезуглероживания более благоприятные, чем в сталеплавильных агрегата где получение особо низких концентраций углерода связано с необходимостью получения очень окисленных шлаков, повышенным угаром железа, увеличением продолжительности плавки и т.д. При обработке вакуумом нераскисленного металла интенсивность протекания реакции [С] + [О] = СОГ может настолько резко возрасти, что газовыделение приобретает бурный характер.

Обезуглероживание расплава происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхности капель (ионизирующего металла в камере и на поверхности пузырей газа во всасывающей тpy6e. При повышении расхода подаваемого во всасывающую трубу газа интенсивность обезуглероживания заметно возрастает, при этом повышается доля (до 30—40 %) углерода, окислившегося на поверхностях капель фонтанирующего металла, а также на поверхности пузырей газа.

При рассмотрении условий протекания реакций [С] + [О] = СОГ; К = рCO/[С][О] следует учитывать, что при установлении численных равновесных соотношений углерода и кислорода для этой реакции обычно принимают рсо = 1 (1 ат = 0,1 МПа). Если принять, что рcо = 1, то К = = 1/[С][О]; [С][О]= 1/К = т и величина т= [с][о] характеризует равновесные соотношения углерода и кислорода. Чаше используют соотношение, установленное Вачером и Гамильтоном (т = 0,0025).

Поскольку кислород при вакуумировании удаляется в результате взаимодействия с углеродом, концентрация последнего в процессе обработки также снижается. При вакуумно-кислороднои обработке равновесие реакции [С] + [О] = СО сдвигается вправо в результате кад снижения давления, так и повышения окисленнос1и металла. Таким образом, совершенствование методов вакуумной обра-ботки (имевшей основную цель — дегазацию металла) привело к созданию технологий, позволивших организовать производ. ство особо низкоуглеродистых сплавов. Для интенсификации процесса использовали прием дополнительной подачи кислорода.