7.1. Обработка металла вакуумом

Снижение давления над расплавом интенсифицирует протекание тех реакций и процессов, в результате которых увеличивается объем реагентов. К ним относятся процессы, сопровождающиеся увеличением числа молей газообразных компонентов или образованием газообразной фазы из конденсированной. При вакуумировании стали интенсифицируются процессы окисления углерода, выделения растворенных в металле водорода и азота, испарение компонентов расплава, восстановления оксидов углеродом и др. Создаваемая разреженная газовая атмосфера лучше, чем продувочный аргон, обеспечивают кинетику процессов рафинирования. Диффузионные звенья кинетики в разреженной газовой фазе (в миллилитре – 10¹⁶ молекул) не лимитируют скорость реакции, так как газ распространяется в объеме практически мгновенно.

Наиболее важными достоинствами процесса вакуумирования стали является то, что при его применении одновременно решается большой комплекс сложных технологических проблем металлургического производства, над решением которых металлурги работали многие годы, решая лишь отдельные задачи. Первоначально вакуумная обработка предназначалась для дегазации стали. Понижение содержания водорода в стали до 2·10^-4 % позволяет отказаться от длительной и дорогостоющей противофлокенной обработки. Например, для паковок толщиной около 1м, такая обработка при температуре обжига 650 ⁰С длится 37 суток. От такого же длительного обезуглероживающего отжига избавило вакуумирование, обеспечив получение стали с содержанием углерода менее 0,001%, что позволило разработать новые марки низкоуглеродистых сталей. Кроме того, вакуумная обработка позволила значительно повысить производительность сталеплавильных агрегатов, обеспечила снижение расхода раскислителей и легирующих материалов при существенном повышении качества металла.

7.1.1. Удаление кислорода и обезуглероживание металла

Непосредственное удаление из стали растворенного в ней кислорода даже при глубоком вакууме практически невозможно. Удаляется кислород в виде {CO} или с всплывающими оксидными неметаллическими включениями. При снижении давления с 10⁵ Па до 10² Па равновесие реакции [C] + [O] = {CO} сдвигается вправо и содержание кислорода в металле снижается, обеспечивается углеродное раскисление без образования неметаллических включений с одновременным обезуглероживанием металла. Как было показано ранее этот процесс затрудняется при повышении общего или гидростатического давления. Зарождение пузырьков {CO} облегчается на стенках футеровки ковша, имеющих несмачиваемые, поры и в верхних горизонтах металла из-за низкого гидростатического давления. Наличие интенсивного периферийного кипения металла при вакуумировании в ковшах подтверждает генерирующую роль пор огнеупоров. Раскипание металла обеспечивает перемешивание ванны и доставку нижних объемов вверх, где при низком гидродинамическом давлении металл дегазируется. К тому же при наличии скоростных потоков в объеме жидкого металла неизбежно образуются полости с пониженным давлением, облегчающие процессы дегазации, а в направленных против гравитационных сил потоках металл «облегчается». В соответствии с принципом Бернули: «В струе жидкости или газа давление велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика».

P / r + Z + U² / 2g = Сonst (7.1)

где P/r – удельная энергия давления; Z – удельная энергия положения жидкости; U²/2g – гидродинамическое давление (скоростной напор). Из этого уравнения следует, что с увеличением скорости потоков жидкости третье слагаемое, пропорциональное квадрату скорости, существенно возрастает, а роль первого слагаемого становится незначительной. Поэтому процессы дегазации при вакуумировании стали, генерирующие образование направленных скоростных потоков, являются самоускоряющимися и завершаются после более менее полного расходования сверхравновесных содержаний газов и газообразующих компонентов. Ведущим процессом и в этом случае является окисление углерода.

Потенциальные возможности для перемешивания вакуумируемого металла образующимися газами достаточно велики. Так при окислении 0,1% углерода и выделении 4мл водорода на 100г металла объем образующегося газа превышает объем вакуумируемой стали более чем в 1000 раз. Энергию перемешивания металла выделяющимися газами следует регулировать с помощью вакуумного затвора так, чтобы в течение всего периода окисление углерода поддерживать оптимальную интенсивность массопереноса во всем объеме. Чрезмерная интенсивность кипения может сопровождаться выбросами металла за борт ковша. Л.Н. Новик описывает случай, когда при быстром нарастании вакуума из 60 т ковша был выброшен весь металл, поднявшись на высоту до 3х метров. Искусственное перемешивание необходимо только в период завершения реакции взаимодействия углерода с кислородом, когда дальнейшее развитие реакции лимитируется массопереносом одного из элементов к месту ее протекания, а также при перемешивании металла с введенными раскислителями и легирующими добавками.

При вакуумировании стали в ковше, уже в течение первых двух минут достигается 75 кратное возрастание сверхравновесной концентрации кислорода по отношению к углероду. Для сравнения отметим, что на подине мартеновских печей процесс протекает при 2-3х кратной сверхравновесной концентрации кислорода.

Экспериментально подтверждено, что вплоть до остаточного давления 10 мм рт. ст. не наблюдается значительных отклонений от равновесных концентраций, для температуры 1600˚С соблюдается соотношение:

[С] [O] = 0,0025 Рсо (7.2)

При содержании в стали менее 1% углерода установлено дополнительное повышение его раскислительной способности из-за повышения содержания СО2 в газовой фазе до 20% по реакции:

2 [C] + 3 [O ] = {CO} + {CO2} (7.3)

Следовательно, в результате повышения раскислительной способности углерода обеспечивается весьма глубокое обезуглероживание металла при сохранении достаточно высокой его раскислительной способности. Еще более благоприятные условия для глубокого обезуглероживания металла создаются в циркуляционном вакууматоре. В нем с увеличением расхода аргона снижается парциальное давление {CO}, увеличивается поверхность газ-металл, на которой окисляется углерод в объеме металла и на поверхности капель фонтанирующего металла. Это позволяет производить новый класс сталей с содержанием углерода менее 0,001%. Использование аргона интенсифицирует процесс и в других вариантах вакуумной обработки.