Вакуумное рафинирование сплавов на основе железа

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра теории металлургических процессов

РЕФЕРАТ

Вакуумное рафинирование сплавов на основе железа

Преподаватель Полухин В.А.

Студент Токманцев С.А.

Группа Мт-580 201

Екатеринбург 2012

Введение

Теоретические основы вакуумной обработки стали Порционное и циркуляционное вакуумирование Обработка стали синтетическими шлаками Выводы Список литературы

Идея использования вакуума для обработки расплавленного металла возникла в 1883 г., т. е. вскоре после появления конвертерного и мартеновского способов производства стали. Первые опыты промышленного использования вакуума для обработки стали, проведенные в 1914 и 1932 гг., не дали желаемых результатов, вследствие недостаточной мощности вакуумных насосов. Только после разработки более производительных вакуумных насосов, обеспечивающих низкое остаточное давление, началось промышленное освоение вакуумной обработки стали. В 1946 г. было начато опытно-промышленное опробование вакуумирования стали при переливе из ковша в ковш, а в 1952;1953 гг. в Бохуме (ФРГ) освоена вакуумная обработка при отливке крупных слитков. В СССР первая промышленная установка для обработки стали вакуумом в ковше была пущена в 1952 г. на Енакиевском металлургическом заводе. Совершенствование конструкции вакуумных насосов, повышение их производительности и снижение остаточного давления при обработке стали повысило эффективность вакуумирования. В настоящее время число установок, используемых во многих странах для вакуумной обработки стали различными способами, превысило 550.

Причинами повышения качества вакуумированной стали являются снижение концентрации кислорода вследствие более глубокого раскисления металла углеродом, удаление водорода и азота, снижение содержания неметаллических включений и др. Значительный вклад в разработку теории вакуумной обработки стали внесли советские ученые А. М. Самарин, Г. Н. Ойкс, А. Н. Морозов, а также зарубежные — Г. Кнюппель, Г. Шенк и др.

Перемешивание металла со специально приготовленным (синтетическим) шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей (серы, фосфора, кислорода), которые удаляются в шлаковую фазу. В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна площади межфазной поверхности. Обработка стали в ковше жидкими синтетическими шлаками как способ удаления из металла от нежелательных примесей была предложена в 1925 г. советским инженером Д. С. Точинским; в 1933 г. способ обработки металла жидкими известково-глиноземистыми шлаками был запатентован французским инженером Р.Перреном.

Теоретические основы вакуумной обработки стали

Уменьшение давления над металлом при постоянной температуре снижает растворимость газов, поэтому вакуумная обработка должна способствовать дегазации стали. Процессу растворения двухатомных газов в металле предшествует диссоциация их на атомы в соответствии с реакцией откуда

или .

Для водорода это уравнение может быть записано в виде ;

Температурная зависимость растворимости водорода в жидком железе при pH2= 0.1МПа определяется соотношением

lg [Н] = -1746/Т -1,72

где [Н] - концентрация водорода, %.

В настоящее время содержание водорода в стали принято выражать в промилле — ррm, равной 1,0−10^-4%. В табл. IV.9 приведена растворимость водорода в жидком железе в зависимости от температуры и давления .

Растворимость водорода в железе таблица 1.

Таблица 1

В сталях, содержащих те или иные элементы, растворимость водорода отличается от растворимости его в жидком железе на величину коэффициента активности:

где [Н]_fe и [H]стсодержание водорода в жидком железе и в стали при рн2 = const (обычно при рН2 = 0,1 МПа). Коэффициент для стали, содержащей элементы [R1], [R2],…, [Rn], может быть определен из соотношения

где, ,…, — параметры взаимодействия элементов по водороду.

Значения параметров взаимодействия для двойных систем Fe-R в интервале 1550−1650°С. Содержание водорода является одной из главных причин брака стали по флокенам. Пределы допустимых концентраций водорода, при которых металл не поражается флокенами, зависят от состава стали и сечения проката или поковки. Как правило, изделия из многих легированных сталей требуют длительной противофлокенной термической обработки при содержании водорода в жидком металле выше предела растворимости в б-Fe, который обычно не превышает 2ррm (2−10−4%), а реальная концентрация водорода в стали при обычных способах выплавки достигает 4ррm и более. Азот растворяется в железе в атомарном состоянии:

.

Температурная зависимость растворимости азота в стали при =0,1 МПа может быть выражена уравнением:

Lg [N]=-(375/T)-1,154.

Вычисленные по этому уравнению равновесные концентрации азота в чистом железе при различных парциальных давлениях азота над металлом приведены в табл.

Растворимость азота в железе в зависимости от давления

Таблица 2

Влияние легирующих элементов на растворимость азота в железе при 1600 °C и =0,1 МПа. Коэффициент активности азота в стали может быть определен из соотношений:

;

Как правило, расчетные значения концентрации водорода и азота не совпадают с результатами, получаемыми после вакуумной обработки стали, что объясняется незавершенностью дегазации и определяется скоростью процесса в тех или иных условиях. Удалению газов из стали предшествует доставка их к поверхности раздела металл-газ в результате диффузии и конвекции. Следующая стадия процесса — образование молекул газа из растворенных в металле атомов и переход их в газовую фазу. Определенную роль играет также отвод молекул газа с поверхности раздела[1].

Сравнение коэффициентов диффузии водорода и азота показывает, что скорость удаления водорода должна быть значительно выше скорости удаления азота. Практика вакуумной обработки стали подтверждает это. Массоперенос азота из объема на поверхность в четыре-семь раз медленнее массопереноса водорода. Это объясняется тем, что азот, являясь поверхностно-активным элементом, в присутствии более активных элементов (кислорода, серы и др.) вытесняется ими с поверхности раздела газ-металл в объем жидкого металла. Кислород, сера и другие поверхностно-активные элементы, заполняя поверхность раздела, уменьшают ее активную площадь для подвода и удаления азота. Из изложенного следует, что дегазация стали при вакуумной обработке определяется интенсивностью перемешивания металла и его удельной поверхностью, поэтому продувка металла инертным газом или кипение в результате реакции взаимодействия углерода с кислородом должны увеличивать скорость удаления водорода и азота из стали. В условиях вакуума взаимодействие между углеродом и кислородом по реакции [С]+[О]-СО_г должно протекать полнее, чем при атмосферном давлении. На диаграмме рис. IV. 10 приведены зависимости активности кислорода в железе от содержания углерода, кремния, алюминия' и других элементов при 1600 °C, из которых следует, что при низком парциальном давлении СО оксиды кремния, алюминия и других элементов могут быть восстановлены углеродом по реакции (MeO)+[C] -[Me]+СО_г, где (МеО) -SiO₂, А1₂O₃ и др. Приняв равновесное значение произведения [С] [O] = m равным 0,0025 при P_CO = 0,1 МПа, можно определить m при различных значениях Pco: m = [С] [О] = 0,0025/10⁵ Pco = 2,5*10^-8 Pco, где Pco выражено в паскалях. Следовательно, обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

Поскольку в процессе вакуумирования происходит одновременно удаление нескольких газов, в образовавшиеся и поднимающиеся в расплаве пузыри газа, например СО, стремятся перейти другие газы, растворенные в металле до достижения равновесного парциального давления:

Pco = К_с [С] [О].

Перенос растворенных газов из жидкости в пузырь может быть описан дифференциальными уравнениями:

где б_Hб_Nб_O -коэффициенты массопереноса водорода, азота и кислорода в стали, см/с; [H]_s, [N]_s, [O]_s равновесные концентрации растворенных газов при соответствующих парциальных давлениях в газовой фазе; [Н]_o, [N]_o, [О]_o концентрация соответствующих газов в исходном металле к началу дегазации; V_M-объем металла, см³; F — поверхность газовыделения при всплывай пузыря, см².

Расчеты по приведенным схемам, основанные на анализе двойных систем, могут дать лишь приближенные данные о степени л газации стали при обработке в вакууме. На практике обычно приходится иметь дело с более сложными системами, для которых па не разработана методика расчетов, поэтому достигаемые результата не всегда совпадают с расчетными.

Способы вакуумной обработки стали

Наиболее широко используемые в настоящее время методы вне агрегатной вакуумной обработки можно объединить в следующие новые способы: вакуумирование в ковше, порционное и циркуляционное вакуумирование, вакуумирование в процессе разливки, вакуумное фришевание. Практически при любом способе обработки жидкая сталь взаимодействует с огнеупорными материалами, что в условиях вакуум может оказывать существенное влияние на качество стали, а также снижает стойкость футеровки устройств для вакуумирования стали[2].

В общем виде взаимодействие между оксидами футеровки и расплавленной сталью при низком остаточном давлении протекает по реакции (МеО)+[С]-[Me]+СОг. Таким образом, углерод может взаимодействовать с оксидам хрома, кремния, алюминия, входящими в состав футеровки, а при очень низки давлениях — даже с оксидами магния и кальция. В результате этого футеровка ковша может служить дополнительным источником кислорода. Это обстоятельство должно учитываться при выборе огнеупорных материалов для футеровки ковша и различных, устройств, используемых при вакуумной обработке стали. Длительное взаимодействие жидкого металла в условиях вакуума с шамотной, футеровкой ковша (65% SiО₂ и 35% А1₂О₃) сопровождается восстановлением, кремнезема по реакции (SiO₂) + [С]-[Si] + СО_г. При содержании марганца в обрабатываемой стали выше 0,8% возможна также реакция (SiO₂) + [Мn]-[Si] + 2(МnО). В результате образуются легкоплавкие шлаки типа SiO₂-А1₂O₃-МnО, и ускоряется химическое разрушение футеровки ковша. Металл при этом может быть загрязнен неметаллическими включениями экзогенного типа. Футеровка ковшей для вакуумирования производится, как правило, нейтральными высокоглиноземистыми огнеупорными материалами, содержащими не менее 75% А1₂O₃ или основными материалами — магнезитом, доломитом, магнезитохромитом. Довольно широко используется и комбинированная футеровка, состоящая из высокоглиноземистого кирпича и основных материалов в зоне шлакового пояса. Применение указанных материалов связано с рядом технологических и организационных трудностей, объясняемых свойствами огнеупоров, Во-первых, материалы на основе магнезита и доломита характеризуются весьма низкой термостойкостью. По этой причине необходим медленный разогрев футеровки до 1000 °C и постоянное поддержание этой температуры в перерывах между плавками. Это особенно важно для доломита, склонного к гидратации в холодном состоянии и превращению в порошок. В ряде случаев поверхностный слой футеровки, пропитанный шлаком, при охлаждении скалывается на глубину до 30 мм и более в связи с различными коэффициентами объемного расширения. Второй особенностью является увеличение теплопроводности указанных материалов по сравнению с широко используемой шамотной футеровкой, в результате чего увеличивается потеря тепла металлом, поэтому необходим дополнительный перегрев стали перед вакуумной обработкой.

В третьих, при замене ковшевых огнеупорных материалов масса ковша увеличивается на 28−42%, так как плотность шамотного кирпича около 2,1 г/см³ высокоглиноземистого 2,7, доломитового 2,8−2,9 и магнезитохромитового 2,9−3,1 г/см³. В связи с этим возникает необходимость соответствующего увеличения грузоподъемности кранового оборудования.

Порционное и циркуляционное вакуумирование

Отличительной особенностью этих способов вакуумирования является постепенная обработка стали в сталеразливочных ковшах емкостью до 300 т и более. Схема порционного способа, разработанного фирмой «Дортмунд Хердер» (ФРГ) и получившего название ДН-процесса, показана на рис. I. Установка состоит из вакуумной камеры с вакуумным проводом, системы пароэжекторных насосов, гидравлических свойств для подъема и опускания тележки с ковшом или вакуум камеры, бункеров с ферросплавами, системы их взвешивания и дачи в камеру, пульта управления и др. Порция металла засасывается в камеру вследствие разности давлений над поверхности металла в сталеразливочном ковше и в вакуумной камере. Высота подъема металла (Н, м) может быть определена из уравнения Где р_вн и р_{в.к -} давление внешнее и вакуумной камере, Па с_нg и с_ст — плотность ртути и жидкой стали, т/м³

hТолщина слоя шлака в ковше, м

7,6*10−3- коэффициент, учитывающий перевод давления в паскали.

Расчет показывает, что высота подъема металла может достигать 1,42 м. Процесс заполнения и опорожнения вакуумной камер осуществляется путем периодического ее опускания и подъема на определенную высоту. Установки для обработки плавок массой до 100 т обычно оборудуют гидравлическим устройством для подъем, и опускания сталеразливочного ковша, а вакуумная камера в этом случае остается неподвижной. Продолжительность одного цикл обработки (заполнение камеры и слив металла в ковш) составляв 15−30 с, а общее время обработки металла обычно составляет 20−25 мин и определяется коэффициентом циркуляции, т. е. отношением массы стали, прошедшей через камеру за время дегазации, к массе металла в сталеразливочном ковше. Как правило, достаточная степень раскисления стали углеродом и удаления водорода достигается, при коэффициенте циркуляции 3−4.

Основной узел установки вакуумная камера представляете собой сварной вакуум плотный сосуд из листовой стали, футерованный высокостойкими огнеупорами. Достаточно высокая стойкость футеровки (300 плавок и более) достигается при использовании высокоглиноземистого кирпича (>75% А1₂О₃), а также магнезито-хромита, изготовленного из плавленого периклаза с добавкой 5−6% Сг₂О₃. В процессе кладки кирпичи тщательно подгоняют, чтобы обеспечить толщину швов не более 1 мм. Кладку производят без температурных швов, а расширение ее при нагреве компенсируется теплоизоляционным слоем. Нижняя часть камеры имеет больший диаметр, чем верхняя, вследствие чего увеличивается порция металла, поступающего в камеру за каждый цикл обработки. Обычно в вакуум-камеру за один цикл поступает 10−12% массы жидкой стали, находящейся в сталеразливочном ковше. Наклонное днище предназначено для полного слива стали из камеры в конце обработки. Средняя цилиндрическая часть камеры имеет загрузочное устройство для введения легирующих и раскислителей, а также графитовый нагреватель. В верхней части камера ограничена сводом с отверстием, над которым смонтирован футерованный колпак с вакуумным проводом. Фланцевые соединения отдельных элементов камеры позволяют ускорить ее ремонт. Для увеличения производительности установки оборудуют двумя камерами (одна работает, вторая в ремонте). Разогрев камеры до рабочей температуры (1450−1550°С) производится графитовым нагревателем или газокислородной горелкой. Предпочтение следует отдать электронагреву, так как в этом случае снижается вероятность образования оксидов железа вследствие оплавления и окисления остатков металла на стенках камеры, снижающих стойкость огнеупорной футеровки. Продолжительность службы графитового нагревателя диаметром 80 мм составляет 30−50 ч, а расход энергии на нагрев футеровки -700 кВт-ч и в процессе обработки 350−400 кВт*ч. В нижней части камера имеет цилиндрический патрубок длиной 1,5−1,8 м, футерованный высокоглиноземистым кирпичом. Снаружи металлический кожух патрубка обмазывают огнеупорной массой на основе корунда. Стойкость патрубка достигает 100 плавок. Внутренний диаметр всасывающего патрубка в зависимости от массы металла в сталеразливочном ковше изменяется от 0,3 до 0,75 м. Скорость движения металла в патрубке при этом находится в пределах 40−45 м/мин. Глубина погружения нижнего среза патрубка в металл обычно изменяется от 0,3 до 0,6 м. Перед подачей сталеразливочного ковша на обработку нижний срез патрубка закрывают шлака отделителем, изготавливаемым в виде конуса из листовой низкоуглеродистой стали толщиной ~2 мм. При опускании патрубка включают вакуумные насосы, и металл поднимается в камере на барометрическую высоту. При последующем подъеме камеры обработанная порция стали через патрубок вытекает в ковш. Максимальная эффективность дегазации достигается при подъеме порции металла в камере на высоту 0,3−0,4 м.

В установках порционного вакуумирования обрабатывают не раскисленный металл, так как в этом случае наиболее эффективно используется раскислительная способность углерода, достигается максимальная степень удаления водорода, снижается расход раскислителей и загрязненность стали неметаллическими включениями. Порционное вакуумирование успешно используется для обработки углеродистых и низколегированных сталей различного назначения и позволяет значительно сократить, а в некоторых случаях исключить противофлокенную термическую обработку, повысить уровень и стабилизировать пластические характеристики готового металла, а также уменьшить отклонения от заданного состава стали. Достаточно полное раскисление стали углеродом достигается при трехкратном пропускании металла через вакуумную камеру при остаточном давлении не выше 130 Па. Для снижения содержания водорода до (1−2)*10^-4% коэффициент циркуляции должен быть ~4. В конце обработки в вакуумную камеру постепенно вводят расчетные количества ферросплавов. Для усреднения состава металла в ковше после присадки последней порции ферросплавов производят пять-шесть циклов обработки.

При разработке технологии порционного вакуумирования стали необходимо учитывать потери тепла и скорректировать температуру выпуска металла из сталеплавильного агрегата. Снижение температуры металла за время вакуумирования составляет 10−25 °С. Дл компенсации потерь тепла на нагрев и расплавление ферросплава необходим дополнительный перегрев стали.

Введение

1% ферро марганца снижает температуру металла на 24 °C, феррохрома 18 °C и ферросилиция (45%-ного) на 13 °C.

Первая установка циркуляционного вакуумирования (рис. 2.) была опробована в промышленных условиях на заводе фирмы «Рур» шталь-Хереус" и получила название RH-процесс. Установка состоит из вакуумной камеры с двумя рукавами подъемным и сливным. Камера соединена с системой вакуумных насосов вакуум проводом. При опускании патрубков в металл и создании разрежения жидкая сталь поднимается в камеру на барометрическую высоту. В металл одного из патрубков (подъемного) через специальную пористую огнеупорную вставку, расположенную на 0,2- 0,4 м выше уровня металла в ковше, подается аргон, вследствие чего образуется газометаллическая смесь, имеющая меньшую плотность, чем жидкая сталь.

Эта смесь непрерывным потоком поступает в вакуумную камеру. При достижении определенной высоты дегазированный и более плотный металл вытекает из камеры в сталеразливочный ковш по сливному патрубку. Таким образом происходит непрерывная циркуляция стали через вакуумную камеру с определенной скоростью, которая зависит от диаметра подъемного и сливного патрубков, остаточного давления, расхода аргона и места подвода его в патрубке и др. Зависимость скорости циркуляции металла через камеру от основных конструктивных и технологических параметров при обработке стали в ковшах различной емкости приведена на рис. 3.

Скорость движения металла в подъемном патрубке зависит от производительности вакуумных насосов и достигает 60 м/мин при обработке стали в ковшах емкостью от 40 до 350 т. Внутренний диаметр всасывающего патрубка при этом изменяется от 0,2 до 0,6 м. Количество расплава, поступающего в камеру за 1 мин, достигает 30% от массы стали в ковше. Скорость циркуляции металла может быть повышена при увеличении сечения подъемного патрубка, но для этого потребуются более мощные вакуумные насосы.

Внутреннее сечение сливного патрубка должно обеспечивать максимальную скорость усреднения состава стали в ковше при введении феррорасплавов в вакуумную камеру. При выходе металла из камеры со скоростью 90 м/мин выравнивание его состава в ковше происходит за 2 мин обработки. Наряду с этим увеличение скорости истечения металла снижает вероятность попадания в вакуум-камеру обработанного расплава. Решению указанных задач способствует также увеличение расстояния между подъемным и сливным патрубками и расположение их под углом друг к другу. Это в значительной степени усложняет конструкцию и огнеупорную футеровку камеры, поэтому в последних установках патрубки делаются одинакового сечения и располагаются параллельно друг другу. Футеровку рабочего слоя камеры, так же как и для порционной обработки, выполняют из высокоглиноземистого или магнезитохромитового кирпича. Для нагрева камеры используют либо газокислородную горелку, либо графитовый нагреватель с соответствующим источником питания. Современные установки оборудуют, как правило, неподвижными стационарными вакуумными камерами, а сталеразливочный ковш с металлом подают под камеру на специальной тележке с гидравлическим подъемом ковша на высоту, необходимую для погружения патрубков в расплав на заданную глубину. Систему вакуумных насосов выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить снижение остаточного давления к концу обработки до 65 Па.

Перед началом обработки на нижний срез подъемного и сливного рукавов устанавливают шлакоотделители, препятствующие попаданию шлака в камеру. Футеровка камеры должна быть нагрета до 1450−1550 °С. Рукава камеры опускают в ковш с металлом на определенную глубину, одновременно начинают подачу инертного газа и последовательно включают вакуумные насосы.

Для наблюдения за процессом и управления им камера оборудована телевизионной аппаратурой и приборами для анализа состава отходящих газов, измерения давления и др. Продолжительность вакуумной обработки определяют в зависимости от массы металла в сталеразливочном ковше и скорости циркуляции. Коэффициент циркуляции должен быть в пределах от 3 до 4. Во время обработки металл в камере разрывается на капли, благодаря чему увеличивается поверхность дегазации, а следовательно, и скорости раскисления стали углеродом и удаления водорода. В результате 10−15-мин циркуляции металла через камеру содержание водород в стали снижается до (0,9−1,3)*10^-4%, что позволяет исключит контролируемое охлаждение слитков, проката или поковок из флокеночувствительных сталей.

Изменение состава отходящих газов и концентрации водород и кислорода в нераскисленной стали, содержащей 0,15% (рис. 4), показывает, что содержание СО через 1−2 мин обработки достигает максимума, а затем постепенно снижается.

Соответственно кривой изменения содержания СО изменяется и концентрация кислорода в стали. Доля водорода в отходящих газах изменяется аналогично СО, а содержание водорода в стали продолжает снижаться даже после. введения алюминия, что свидетельствует о возможности удаления водорода как из нераскисленной, так и из раскисленной стали благодаря наличию в металле пузырьков инертного газа. Удельный расход аргона при циркуляционном вакуумировании обычно изменяется от 0,070 до 0,100 м³/т. В конце обработки для равномерного распределения ферросплавов в объеме металла расход аргона может быть увеличен. Циркуляционное вакуумирование успешно используют при производстве углеродистых и низколегированных сталей различного назначения: электротехнических, шарикоподшипниковых, низкоуглеродистых и др. Снижение температуры металла в процессе обработки при нагреве футеровки вакуумной камеры до 1450−1550 °С составляет 1,0−1,5 °С/мин. В случае более низкой температуры подогрева камеры скорость охлаждения металла может достигать 3−5 °С/мин и более. Это должно учитываться при определении температуры металла перед выпуском из сталеплавильного агрегата.

Обработка стали синтетическими шлаками

сталь циркуляционный вакуумирование шлак

Идея рафинирования металла жидким синтетическим шлаком, полученным в специальном плавильном агрегате, принадлежит советскому инженеру А. С. Точинскому (1925 г.). Широкое промышленное использование известково-глиноземистого шлака для внеагрегатной десульфурации стали явилось результатом работ ряда сотрудников ЦНИИЧМ совместно с металлургическими заводами и было начато в конце 50-х годов. Технологическая схема процесса приведена на рис. 5: порцию шлака в количестве 3−6% от массы стали заливают в сталеразливочный ковш, а затем в этот же ковш выпускают сталь, рафинированную до заданных содержаний углерода и фосфора и нагретую до необходимой температуры. Наиболее широко для десульфурации используют известково-глиноземистый шлак, содержащий 53−55% СаО, 43−45% А1₂О₃ и небольшое количество примесей SiО₂ (<3%) и FeO (<1%). Шлак указанного состава выплавляют в электродуговой печи с угольной футеровкой. Шихта для выплавки синтетического шлака состоит из обожженной извести и электрокорунда, который очень дефицитен, поэтому предпринимают попытки заменить его менее дефицитными материалами.

Струя жидкой стали, падающая в ковш с высоты >3,0 м, эмульгирует шлак, поэтому поверхность раздела шлак-металл в десятки раз превышает поверхность взаимодействия металла и шлака в подовых сталеплавильных процессах. Вследствие этого резко возрастает скорость перехода серы из металла в шлак.

Как показывает опыт, за время выпуска плавки (10−15 мин) содержание серы снижается с 0,015−0,033 до 0,005−0,012 а фактический коэффициент распределения серы между металлом и шлаком колеблется в пределах от 27 до 77. Степень десульфурации достигает максимальных значений при обработке высокоуглеродистых сталей и сталей, легированных кремнием. Одной из причин ускоренного удаления серы в шлак является снижение концентрации кислорода в стали при перемешивании ее со шлаком с незначительной концентрацией FeO, так как в этом случае равновесие процесса распределения кислорода между металлом и шлаком [Fe] + [О]-(Fe²⁺) + (О²⁺) сдвигается в сторону уменьшения содержания кислорода в металле. Развитая поверхность взаимодействия металла и шлака ускоряет этот процесс.

Поскольку при обработке стали жидким синтетическим шлаком раскислители, как правило, дают в ковш, то образующиеся продукты раскисления могут ассимилироваться капельками шлака и удаляться вместе с ними из стали. Удаление оксидных неметаллических включений завершается переходом из металла в шлак и растворением их в шлаке.

Скорость всплывания частиц при прочих равных условиях определяется их размером, поэтому факторы, способствующие укрупнению неметаллических включений, ускоряют рафинирование стали. Присутствие частиц синтетического шлака в металле существенно ускоряет укрупнение продуктов реакций раскисления. В рассматриваемой системе металл-неметаллические включения-капельки шлака должно существовать стремление к уменьшению запаса свободной энергии, что возможно лишь при уменьшении поверхности раздела фаз, т. е. термодинамические частицы шлака и включений должны укрупняться и удаляться из стали.

При обработке стали в ковше жидким синтетическим шлаком зарождение неметаллических включений вероятнее всего может происходить на имеющейся поверхности раздела металл-шлак с одновременной ассимиляцией их шлаком. В случае гомогенного образования включения также могут захватываться частичками шлака при вероятных столкновениях вследствие движения металла и различной скорости всплывания частиц шлака и включений. Мелкие включения диаметром ?10 мкм будут всплывать со значительно меньшей скоростью, чем крупные капельки шлака. Скорость ассимиляции включений частицами шлака зависит от ряда физических и физико-химических свойств контактирующих фаз: плотности, вязкости, агрегатного состояния, межфазного натяжения и т. д. Продукты раскисления (SiО2, МnО, А1₂O₃) растворимы в синтетическом шлаке, поэтому межфазное натяжение на границе включение-шлак стремится к нулю, т. е. термодинамическая вероятность перехода включений в шлак велика. Скорость слияния включений и капелек шлака (щ_в-ш) определяется константой переноса этих частиц в металле (D_B и D_ш), их радиусами (r_в и r_ш) и количеством в единице объема стали (n_в и n_ш). Эти величины связаны уравнением щ_в-ш= 4р (D_B + D_ш)* (r_в + r_ш) n_в n_ш.

Повышение скорости ассимиляции эндогенных неметаллических включений синтетическим шлаком может быть достигнуто при увеличении радиуса частиц шлака или увеличении их количества, однако во втором случае возможно запутывание мелких капель (10−100 мкм) шлака в стали. Эффективность обработки стали синтетическим шлаком в значительной степени определяется температурой плавления, вязкостью, межфазным натяжением на границе с металлом, от которых зависит степень эмульгирования и последующее удаление капель шлака из металла. Температура плавления шлака указанного выше состава находится в пределах 1400−1530 °С. Металл и шлак перемешиваются в ковше при 1600−1550 °С. В этом случае шлак сохраняет достаточную жидкоподвижность. Межфазное натяжение на границе шлакметалл зависит от состава стали и шлака и колеблется в пределах 550−1300 мДж/ма. Обычно эта величина не менее 800 мДж/м². Работа когезии шлака изменяется от 950 до 1250 мДж/м², а работа адгезии шлака к металлу 700−1200 мДж/м², причем во всех случаях вторая величина меньше первой, поэтому капельки шлака должны удаляться из металла. Таким образом, обработка стали жидким известково-глиноземистым шлаком способствует снижению содержания серы и кислорода, а также загрязненности металла неметаллическими включениями.

Степень удаления серы колеблется в пределах 50−80%. Содержание кислорода в рафинированной шлаком конструкционной и шарикоподшипниковой стали составляет 0,002−0,003%, что объясняется переходом кислорода из металла в шлак, удалением оксидных неметаллических включений и снижением количества кислорода, поступающего в металл из атмосферы при выпуске плавки, так как он постоянно защищен слоем синтетического шлака. Загрязненность оксидными включениями средне и низкоуглеродистой конструкционной стали, обработанной в ковше жидким синтетическим шлаком, также существенно ниже, чем металла обычной выплавки. Так, количество образцов шарикоподшипниковой стали, оцениваемых по сульфидным неметаллическим включениям баллом 2,5 и выше, в стали, обработанной синтетическим шлаком, снижается в 2,5 раза по сравнению с обычным металлом, а крупных оксидных включений, оцениваемых баллом 3 и выше, снижается в два раза. Сталь, рафинированная жидким синтетическим шлаком, приобретает повышенную пластичность и ударную вязкость. Особенно важным является повышение пластических и ударных характеристик на образцах, вырезанных поперек направления деформации, благодаря чему снижается анизотропность механических свойств, что имеет особое значение для конструкций и деталей, работающих в условиях различно ориентированного нагружения.

Следует учитывать, что обработка стали известковым глиноземистым шлаком сопровождается некоторым восстановлением алюминия, поэтому присадка алюминия может быть сокращена. Достаточно высокая степень десульфурации (~40%) достигается также и при обработке стали в ковше при выпуске твердыми порошкообразными синтетическими шлаками или экзотермическими шлакообразующими смесями. Эффективным методом в не агрегатной десульфурации может служить вдувание в металл порошкообразных материалов (СаО, СаО + CaF₂, СаС₂, SiCa + СаО) и др. в струе инертного газа. Обычно подача порошков производится при помощи футерованной трубы, погружаемой в металл на глубину до 3 м (рис. 6). Как видно из рис. 6, установка состоит из дозирующего устройства, соединенного гибким шлангом с подвижной фурмой. Ковш в процессе обработки закрывается крышкой для уменьшения разбрызгивания металла, создания защитной атмосферы над ним, а также улавливания и очистки выделяющихся газообразных продуктов. Основным узлом установки является пневматический, доза-316 тор, предназначенный для равномерного и регулируемого ввода реагентов в металл.

На практике наибольшее распространение получили два типа дозаторов верхнего давления и аэрационного (рис. 7). В устройствах первого типа для равномерной подачи материала используют различные способы создания непрерывного движения частиц вблизи выходного калиброванного отверстияпневматические или механические, например вибрационные. В дозаторах второго типа аэрация порошка достигается в результате подачи газа через центральное сопло и отверстия, расположенные в нижней стенке дозатора. Допустимое давление газа в дозаторе может изменяться от 0,4 до 2,0 а на выходе из фурмыот 0,2 до 0,7 МПа. Расход газа обычно не превышает 90−200 л/т. Объемная концентрация порошка составляет 10−25 кг/м³. Обработка стали, предварительно раскисленной алюминием, в течение 10−30 мин смесью СаО + CaF₂ в количестве 5−15 кг/т в токе аргона позволяет снизить содержание серы в готовой стали _на 40−90%. При этом степень десульфурации зависит от материала футеровки ковша. Минимальная десульфурация (40%) характерна для обработки стали в ковшах, футерованных шамотным кирпичом (35% А1₂О₃). При использовании высокоглиноземистых огнеупоров (75% Al₂O₃) удаляется ~80%, а в основных ковшах (магнезит, доломит) до 90% серы от исходной концентрации. Содержание серы в готовой стали может быть снижено до 0,003.

Практическую проверку прошел ряд разновидностей способа обработки металла шлаками различного состава:

1) жидкими известково-железистыми шпаками для дефосфорации;

2) кислым шлаком для снижения содержания кислорода и оксидных неметаллических включений;

3) жидкими известково-глиноземистыми шлаками для десульфурации и раскисления металла;

4) шлаками различного состава во время разливки и кристаллизации металла для удаления вредных примесей и получения хорошей поверхности слитка.

Выводы

Таким образом, наиболее широко используемые в настоящее время методы в неагрегатной вакуумной обработки можно объединить в следующие о новые способы:

— вакуумирование в ковше, порционное и циркуляционное вакуумирование,

- вакуумирование в процессе разливки, вакуумное фришевание.

Обнаружено из практического применения вакуумной технологии, что при любом способе обработки жидкая сталь взаимодействует с огнеупорными материалами.

Установлено, что под воздействием вакуумирования существенное повышается качество стали, но при этом снижается стойкость футеровки устройств для вакуумирования стали.

1. Кудрин В. А. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1983. 582 с.

2. Кудрин В. А. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1989. 560 с.