Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

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 Ходящего в состав оксидных включений, с углеродом. В стали   практически   всегда   содержится   определенное   количе-

За рубежом распрстранено обозначение процесса ДН (наименование

предприятия Dortmund — Horder, ФРГ).

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. На 2.7 представлены результаты исследования процесса рафинирования металла от кислорода в процессе вакуум-углеродного раскисления при производстве кузнечных слитков хромоникельмолибденована-диевой стали при отливке очень крупных 350-т слитков. Из 2.7 видно, что к 30-й минуте обработки металл практически полностью очищается от оксидных включений, что в значительной мере определяет высокую степень изотропности свойств поковки. Однако для проведения операции требуется современное оборудование для быстрого создания глубокого вакуума и высококачественные огнеупоры.

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/Ю0 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. По данным [2] для значительного снижения содержания водорода не требуется глубокий вакуум. Согласно результатам проведённых исследований,  для  чистого  железа  при  1600°С условиям равновесия с металлом, содержащим 2мл/Ю0г (0,002%) водорода, должна соответствовать газовая фаза с парциальным давлением водорода р    = 0,5 кПа.

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       2Ыаж=       N2       (для       водорода       211^=       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.

Если ковш размещается в вакуумной камере для дегазации в ковше, полезная площадь поверхности для дегазации F равна поверхности жидкой стали. Отношение F/V тогда может быть очень небольшим. Но это отношение может быть значительно увеличено в результате либо перемешивания поверхностного слоя, либо продувки инертным газом, либо образования монооксида углерода в расплаве. Вместе с тем, это выражается в изменении картины потока с соответствующим увеличением коэффициента массопереноса К. Большое значение имеет также присутствие поверхностно-акгивных примесей, блокирующих поверхность металл - газ и препятствующих протеканию процесса удаления азота. К числу таких примесей относятся прежде всего кислород и сера, поэтому, например, раскисление и десульфурация металла заметно облегчают условия удаления азота при вакуумировании.

Процесс рафинирования металла под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырей монооксида углерода СО, которые интенсивно перемешивают металл и являются маленькими дополнительными "вакуумными камерами" (в пузыре, состоящем только из СО, парциальные Давления водорода и азота равны нулю р    = 0 и р    = 0).

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  обес печиваются условия для протекания реакции обезуглерожива ния  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 насюлько    резко   возрасти,   что    газовыделение   приобретает бурный характер.

Обезуглероживание расплава происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхности капень (^чта-нирующего металла в камере и на поверхности пузырей газа во всасывающей ipy6e. 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 1акже на поверхности пузырей газа.

При рассмотрении условий протекания реакций [С] + + [О] = СОГ; К = рш/[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 рто = 1, то К = = 1/[С][О]; [С][О]= \/К = т и величина т= [с][о] характеризует равновесные соотношения углерода и кислорода. Чаше используют соотношение, установленное Вачером и Гамильтоном (т = 0,0025). На практике анализ проб кипящего металла в конвертерах, мартеновских и электропечах показывает содержание кислорода несколько большее, чем соответствующее соотношению [С][О] = 0,0025, что свидетельствует как о влиянии окислительной фазы, так и о том, что реакция протекает при рсо> 1 (например, не на поверхности металла, а в глубине ванны, где с учетом ферростати-ческого давления Рсо может быть равным 1,5 и более).

Если   К-   Рсо/[С][О]   и   [С][О]=   Рсо/К,   то   снижение   Рсо и вакуумировании должно приводить к уменьшению величины [С][О] и величины [О] = Рсо/К[С], т.е. при вакуумировании раскислигельная способность углерода возрастает и окис-яность металла снижается (углеродное раскисление). На практике действительно при обработке жидкой стали вакуу-моМ в отсасываемых газах содержится СО (также и небольшое количество СО2), а окисленность металла снижается. Однако наблюдаемое при этом снижение содержания кислорода не пропорционально снижению давления. Это кажущееся несоответствие можно объяснить следующим образом: при отсутствии шлака в вакуумной камере давление выделения СО атм+ Рк+ 2<г/г. Влияние вакуума на раскислительную способность углерода определяется соотношением между ратм (степенью разрежения) и суммой ферростатического давления и сил преодоления поверхностного натяжения (рм + 2е/г). Если (рм + 2сг/г)» ратм, то дальнейшее понижение давления практически не може1 изменить значения Рсом> поэтому не может влиять на повышение раскисли1ельной способности углерода. Однако на практике при вакуумной обработке стремятся иметь возможно более низкое значение давления в вакуумной камере (обычно не более 130—260 Па). Это вызвано необходимостью удаления водорода и азота, растворимость которых в металле определяется давлением соответствующего элемента в газовой фазе.

Поскольку кислород при вакуумировании удаляется в результате взаимодействия с углеродом, концентрация последнего в процессе обработки также снижается. Такое снижение особенно заметно при обработке низкоуглеродистых сталей, чю видно из следующего примера. Соотношение концентраций Углерода и кислорода после окончания продувки в конверте-Ре можно принять равным [С][О] = 0,003. При 0,3 % [С] в стали содержится 0,0030/0,30= 0,01% [О]. Если не учитывать образования СО2> то при окислении углерода до СО, Учитывая стехиометрию реакции, Д[С] = (12/16)Д[о] = °.75Д[о]. За счет 0,01 %[О] может окислиться -0,013% С, Те немногим более 4% от начального содержания углерода №.30%). Если вакуумом обрабатывается низкоуглеродистая Чаль, ситуация иная. Например, при 0,7 % [с] в стали бу-Ди 0,0030/0,07= 0,043 %[О]. За сче1 0,043 %[О] может "Кислиться    0,057% С,    т.е.    > 80 %    всего    углерода,    содержащегося в стали. Таким образом, если необходимо получи^ при вакуумировании сталь с низкими концентрациями углеро. да, то следует учитывать, что при [С] > 0,0б-=-0,07 % в ць талл нужно дополнительно вводить кислород. На этом прщ. ципе основаны технологии вакуумно-кислороднои обработ^ стали. 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.

В целом, при обработке металла вакуумом: 1) уменьшается содержание растворенных в металле водорода и азота; 2) снижается содержание растворенного в металле кислорода; 3) уменьшается содержание в металле неметаллических включений; 4) в результате выделения большого количества газовых пузырей металл перемешивается, становится более однородным, выравнивается его состав и температура; 5) создается возможность получения стали с очень низким содержанием углерода; 6) в результате рафинирования металла   вакуумная   обработка   существенно   улучшает   литейно-аснологические свойства стали. Так, по данным института ПЯИИТМАШ вакуумирование стали 08ГДН8Л позволяет повысить жидкогекучемь более чем на 25 %, а стали 06Х12НЗДЛ — ка 70-75 % (2.9). Трещиностойкос1ь стали 06Х12НЗДЛ, подвергнутой вакуумированию, повышается на 100, стали ЗОХМЛ - на 30, стали 08ГДН8Л - 75 %. При этом уменьшается обший объем дефекюв литья по засорам, пленам и трещинам. Повышение жидкотекучести позволяет снизить температуру заливки форм на 30—40 °С, повысить выход годного и улучшить технико-экономические показатели литейных цехов в результате уменьшения объема прибылей [6]. Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит повышенные концентрации примесей цветных металлов (свинец,сурьма, олово, цинк и др.), определенная часть их при обработке вакуумом испаряется.