книги из ГПНТБ / Линчевский Б.В. Применение вакуума в производстве стали
.pdfI |
ДДД-. длялд^у |
Б/В. ЛИНЧЕВСКИЙ, А. А. ВЕРТМАН
3* Ш 3 ■ г. ,'** ’
ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМА
В ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Москва 1960
'V
(366*
АННОТАЦИЯ
В брошюре излагаются теоретические и практи ческие основы выплавки сталей и сплавов в ва куумных индукционных и дуговых печах. Осве щаются вопросы, связанные с вакуумной обра боткой жидкой стали в ковшах и при разливке. Приведены фактические данные по оборудованию вакуумных печей, камер для дегазации и разлив ки, рассмотрены конструкции насосов и приборов для измерения вакуума На основании лаборатор ных и производственных данных разбирается влияние выплавки в вакууме и разливки крупных слитков, а также вакуумной обработки жидкой стали на свойства готового металла.
Брошюра рассчитана на инженерно-технических работников заводов и научных учреждений, а так же может быть полезна студентам металлургиче ских и машиностроительных вузов.
От редактора
Вакуумная металлургия стали, сплавов и цветных металлов в Советском Союзе с каждым годом завоевывает все более проч ное место среди других металлургических процессов.
Решениями XXI съезда КПСС по дбкладу товарища Н. С. Хрущева о контрольных цифрах развития народного хо зяйства СССР на 1959—1965 годы намечается организовать ши рокое использование вакуума в металлургии для повышения качества продукции.
Для современной техники характерны высокие давления, температуры и скорости, что предъявляет все более высокие требования к металлам в отношении чистоты по содержанию вредных и избыточных элементов, неметаллических (шлаковых) включений и газов (кислорода, водорода, азота), однородности макро- и микростроения и механических свойств по всему объ ему металла в различных направлениях. Требуется и наличие особых специальных свойств сплавов: длительная прочность при переменных нагрузках, жаропрочность и высокая стойкость в агрессивных средах.
Указанные требования в основном удовлетворяются путем выбора надлежащих составов тех или иных сплавов, выплавкой их в обычных открытых индукционных печах с применением различных раскислителей и последующей обработкой. Но, как показала практика последних лет, наилучшие свойства могут быть достигнуты только путем выплавки сплавов в вакуумных индукционных печах. Применение же переплава готовых спла вов в вакуумных дуговых печах обещает дальнейшее повышение качества металла.
Другой разновидностью применения вакуума в металлургии является вакуумная обработка жидкой стали в ковше и в из ложнице (для крупных слитков). Опыт заводов «Днепроспецсталь», им. Дзержинского, «Серп и молот», Уралмашзавода и др. показал, что при этом значительно улучшаются свойства трансформаторного железа, железа армко, бессемеровского рельсового металла, а кипящая сталь по макроструктуре слитка и степени его неоднородности становится равной спокойной ста ли.
3
Перспективно применение вакуума при производстве особо чистых металлов и безуглеродистых ферросплавов, используе мых для легирования стали.
Следует признать, что уровень популяризации вакуумной металлургии в настоящее время не соответствует ее возросшему значению в народном хозяйстве. Настоящая книга Б. В. Линчевского и А. А. Бертмана несколько восполняет этот пробел. В ней даются основные сведения о конструкциях вакуумных индукци онных и дуговых печей и камер для дегазации стали в ковшах и в изложницах, описывается насосное хозяйство, контрольно-из мерительная аппаратура и вспомогательное оборудование. При ведены данные о влиянии вакуума на свойства стали и сплавов и в доступной форме освещена теоретическая сторона процесса вакуумирования.
Докт. техн, наук проф. А. Е. ХЛЕБНИКОВ
4
ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ
Цель применения вакуума при выплавке стали заключается в получении металла с высокими механическими, электротехниче скими, антикоррозионными и другими свойствами. Высокое ка чество металла в значительной мере определяется минимальным содержанием неметаллических включений, газов, серы и фосфо ра и в некоторых случаях углерода.
Важнейшая реакция, протекающая в жидкой металлической ванне, — взаимодействие углерода с растворенным в металле кислородом. В процессе обезуглероживания удаляются не только кислород и углерод, но также водород, азот, неметалли ческие включения. Особое значение приобретает реакция обезуглероживания при плавке в вакууме, так как продуктами реакции обезуглероживания являются газообразные окислы, создание разрежения над металлом благоприятствует их обра зованию, в связи с чем реакция окисления углерода протекает с большей полнотой.
В общем виде реакцию обезуглероживания можно записать следующим образом:
[С] + х [О] = СС\.
Согласно правилу фаз, эта система может находиться в рав новесии при разных давлениях. Константа реакции равна
кРс°х
«с ■[0О]х
где «с и ао — соответственно активность углерода и кислорода. При содержании углерода до 1% константа выражается форму лой
кРс°х
С[%CJ-[%OJ
Так как при данной температуре константа равновесия яв ляется постоянной величиной, то отсюда следует, что в вакууме можно добиться проведения глубокого раскисления углеродом.
о
Однако данное положение, вероятно, имеет значение только для поверхностных слоев металла. В толще металла величина Рсо
в зоне образования газовых пузырей отличается от величины Рсо , определяемой общим давлением над металлом. Давле
ние в образующемся пузырьке окиси углерода равно сумме ат мосферного давления, ферростатического и давления поверхно стного натяжения. Давление в пузыре Рп равно:
Pa = Pa+4h + -^- ,
где Ра — атмосферное давление; 7 — плотность металла;
h — высота столба жидкого металла над пузырем; ст—поверхностное натяжение; г — радиус образующегося пузыря.
Если принять, что у = 7 г/см3, ч = 1000 дн/см, то для железа
Рп ~ + 0,515 h 4—При давлении менее 1 мм рт. ст. мо
жно пренебречь величиной Ра; предположив, что образование пузыря в вакууме происходит под самой поверхностью металла,
получаем, что равновесное давление |
Рс0 в |
пузыре опреде- |
|
1 47 |
Л |
пузырей. |
Рас |
ляется величиной ——, т. е. величиной радиуса |
|||
четы показывают Ш, что радиус образующихся |
пузырей |
дол |
|
жен быть в пределах 0,10—0,01 мм. |
|
|
|
Таким образом, раскислительная способность углерода зави сит не только от разрежения над металлом. До последнего вре мени считали, что максимальное обезуглероживание достигается при наиболее глубоком разрежении, и при этом исходили толь ко из влияния давления на протекание реакции окисления угле рода в металле. Очевидно, что при плавке в вакууме изменяют ся условия зарождения газовых пузырей и понижение давления косвенно влияет на обезуглероживание.
При выплавке металла в индукционных печах жидкая метал лическая ванна взаимодействует с футеровкой тигля, в частно сти, как показали опыты, при плавке в вакуумных печах хроми стых и хромоникелевых нержавеющих сталей, несмотря на снижение содержания углерода, концентрация кислорода к кон цу плавки непрерывно увеличивается и может достигнуть преде ла растворимости кислорода в этих сталях.
При плавке в тигле из окиси магния углерод взаимодейству ет с окисью магния с образованием газообразной окиси углеро да и металлического магния. Оба эти продукта покидают систе му, и поэтому реакция развивается в сторону образования оки си углерода. Таким образом, в данном случае обезуглерожива ние металла происходит за счет кислорода футеровки. С другой
6
стороны, очевидно, и другие компоненты металла взаимодей ствуют с футеровкой с образованием нелетучих окислов, перехо дящих в расплав, из-за чего и повышается концентрация кисло
рода в металле.
Рассмотрим некоторые реакции взаимодействия металла с футеровкой. При выплавке металла, содержащего 0,3% А1, в магнезитовом тигле может протекать реакция:
MgOT + 2/з [А1] = 1/3 А12О3(т) + Mg(r);
/< = Рме.. . = 0.68.
'*[«All-
При 1600° и ам =0.003%, PMg = 10,7 мм рт. ст.
Следовательно, при снижении давления ниже 10 мм рт. ст. магний будет активно восстанавливаться из футеровки.
Цирконий переходит в металл при более низком давлении:
2С + ZrO2 = Zr + 2СО;
у |
РСО • °Zr . |
К = ~^Г~ •
К16оо = 3 • 10-6 •
При разрежении в печи 1 мм рт. ст. или 1,3 • 10-3 ата и содержа нии углерода 0,05%
3 ■ 10-6 ■ 0,0025
а, |
—--------------------------- |
= 0,003. |
Zr |
2,56 • ИГ6 |
|
При разрежении 0,1 мм рт. ст. активность Zr в металле равна |
||
0,3 (в данном случае приближенно |
можно приравнять актив |
ность циркония его весовой концентрации). При более низких разрежениях значительные количества циркония могут перехо дить в металл 121. Как видно из рис. 1, при 1600° взаимодей
ствие углерода с SiO2 возможно уже при Рс0, равном 1 ата, с MgO и А12О3 при Рс0 менее 10-2 и только с ThO2 — при дав
лении 10-6 ата. Следует отметить, что окислы, входящие в состав футеровки, восстанавливаются не путем термической диссоциа ции, а в результате реакции с углеродом.
При рассмотрении вопросов, связанных с контактом жид кого металла с футеровкой тиглей, необходимо обратить вни мание на чисто физические свойства поверхности тигля, которые зачастую могут иметь преобладающее значение по сравнению с термодинамическими условиями взаимодействия металла с ке рамикой. Есть основания считать, что для плавки в вакуумных индукционных печах необходимы тигли с гладкой поверхностью. Такая поверхность может быть получена либо спеканием тигля
7
вокруг графитового шаблона, нагреваемого до весьма высокой температуры, что вызывает оплавление внутренней поверхности тигля, либо в литых тиглях.
Прессованные тигли с шероховатой поверхностью по сравне нию с литыми обладают более высокой термостойкостью, но они сильнее взаимодействуют с расплавами, так как обладают большей пористостью.
Рис. 1. Изменение свободной энергии некоторых окислов в зависи мости от температуры и давления [3]
Жидкие сплавы, обладающие в вакууме повышенной жидко текучестью, заполняют поры в стенках тигля и вызывают эро зионное разрушение тигля, при этом мелкие кусочки футеровки попадают в жидкий металл, и содержание кислорода в нем воз растает.
При плавке в литых тиглях концентрация кислорода значи тельно снижается, несмотря на то что металл химически взаи модействует со стенками литого тигля. Однако количество кис лорода, поступающего в ванну в результате такого взаимодей ствия, значительно меньше количества кислорода, удаляемого в результате взаимодействия с углеродом.
8