7.1.3. Снижение содержания неметаллических включений

Более низкое содержание неметаллических включений в вакуумированной стали достигается в результате углеродного раскисления, флотации неметаллических включений газовыми пузырями и создания направленных вверх потоков металла, облегчающих ассимиляцию включений покровными шлаками.

Упругость диссоциации большинства оксидов легирующих элементов настолько мала, что одно только снижение давления в системе не может привести к уменьшению кислорода в стали.

Однако термодинамически возможно восстановление некоторых находящихся в металле оксидов углеродом по реакции:

(МеО) + [C ] = [Me] +{CO } (7.4)

Константа равновесия этой реакции:

К= РСО · а[Me] / а(MeO) · а[C]) (7.5)

откуда:

а(MeO) = PCO · а[Me] / (K · а[C]) (7.6)

Из выражения (7.6) следует, что при понижении РСО содержание оксидных включений в металле снижается. Менее прочные включения типа МnО или Сr2O3 восстанавливаются углеродом в вакууме почти полностью, а металл обогащается восстанавливаемыми элементами. Кинетические условия для восстановления более прочных оксидов углеродом неблагоприятны. Поэтому углеродное раскисление в вакууме наиболее эффективно при обработке нераскисленной стали.

Флотация неметаллических включений всплывающими газовыми пузырями происходит тогда, когда смачиваемость газового пузыря неметаллическим включением лучше смачиваемости этим неметаллическим включением металла (σвкл-г < σвкл–м). В большинстве случаев это соотношение соблюдается, и газовые пузыри очищают металл от неметаллических включений при условии низкой окисленности покровных шлаков и высокой их ассимилирующей способности по отношению к всплывающим неметаллическим включениям. Такая же ситуация возникает и при перемещении вверх неметаллических включений с восходящими конвективными потоками жидкого металла.

1. Вакуумная дисцилляция

Процесс испарения, как и дегазации, многостадийный и определяется аналогичными факторами. При этом испарение вредных примесей и нежелательных цветных металлов обеспечивает рафинирование металла, а испарение легирующих элементов затрудняет получение стали заданного состава. Возможность и интенсивность испарения определяется давлением пара растворенного элемента і над расплавом:

Рі = Рі˚ · Хі · γі ( 7.7 )

где Рі˚ - давление пара чистого элемента; Хі и γі – мольная доля и коэффициент активности элемента в расплаве.

Упругость паров железа при температуре 1600˚С составляет по разным данным до 13 Па., что ниже, чем во многих цветных металлов и серы, но выше, чем у фосфора. Упругость паров кадмия, цинка, калия и натрия при 1500˚С свыше – 5 МПа, магния - 1,0 МПа, кальция – 0,1 МПа; марганца – 1к Па, меди – 10^-1,5 к Па, олова – 10^-1,5 к Па, хрома 10 Па. Для рафинирования металла дистилляцией важным показателем является коэффициент испарения α , который показывает во сколько раз быстрее испаряется данный элемент по сравнению с железом. Для Мn, Си, Sn и S он соответственно равен 150; 60; 18; и 7,5. Испарение сопровождается снижением температуры металла и образованием около 1 кг/т стали пыли. В составе пыли до 75% оксидов марганца и железа при вакуумировании стали, содержащей 1% марганца.

Но так как в жидком металле мольная доля испаряющихся элементов значительно ниже мольной доли железа, то для оценки эффективности дистилляции рассматривают сравнительные потери испаряющегося железа. Так при испарении половины содержащегося в металле Мn, Cu, Sn, S и As потери железа соответственно составляют , %: 0,5; 1,1; 3,8; 10 и 21. Если рассматривать не двойные системы железо-элемент, то показатели дистилляции будут зависеть от изменения активности испаряющегося элемента в расплаве. Например: коэффициент активности серы в чугуне примерно в 5 раз выше, чем в стали, во столько же раз будет выше давление паров серы над расплавом.