Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Для практических целей часто достаточно ограничиться двумя

_д___ в_

первыми членами уравнения. Тогда р° = е2-3 2'зг и для одноатомного газа выражение (91) принимает вид

где а = А/2,3 и р = £/2,3.

Анализируя входящие в уравнение (97) величины, можно заклю­ чить, что, во-первых, влияние температуры невелико, так как хотя она и входит в показатель степени, но значения ас и а 0, а также (3,- и ро отличаются друг от друга незначительно; во-вторых, с ростом температуры коэффициент разделения несколько уменьшается, по­ скольку для интересующих нас преимущественно легкоплавких

примесей в железе р\ > ро, а с ростом температуры эта разница уменьшается.

Влияние температуры на процессы рафинирования, протекающие в диффузионном режиме, проявляется в изменении с температурой величины коэффициента диффузии. Связь между этими величинами

от температуры и уменьшается с повышением температуры.

Если учесть одновременное влияние температуры на эти величины, то после подстановки их в формулу (90) можно установить, что с ростом температуры значения коэффициента разделения и, следо­ вательно, эффективность рафинирования несколько уменьшаются и в диффузионном режиме.

Следует, однако, иметь в виду, что повышение температуры хотя и не увеличивает эффективности очистки, но заметно увеличивает интенсивность испарения. Кажущееся противоречие между влиянием температуры на интенсивность и эффективность рафинирования объясняется тем, что одновременно испаряется и примесь, и основ­ ной компонент расплава, и испарение многих примесей из стали сопровождается значительными потерями железа. Так, испарение половины обычно присутствующего в стали количества мышьяка возможно лишь при испарении примерно 20% железа. Поэтому необходимо выбирать такой режим обработки металла вакуумом, чтобы .достаточная глубина рафинирования достигалась при разум­ ной интенсивности испарения.

РАСКИСЛЕНИЕ В ВАКУУМЕ

В условиях пониженного давления важнейшей реакцией в ме­ талле, обеспечивающей его рафинирование, является изученная выше реакция взаимодействия углерода с кислородом:

[С] + Ю] = СО.

357

Константа равновесия этой реакции выражается следующим образом

k-= Рсо ас-ао

или приближенно

Из записи константы реакции видно, что понижение парциального давления СО в газовой фазе вызывает пропорциональное уменьше­ ние произведения равновесных концентраций углерода и кислорода в металле.

Расчеты показывают, что при 1600° С, давлении, равном 133,3 Па СО (1 мм рт. ст.), и содержании углерода 0,1 в металле должно оставаться 3-10~6% кислорода. Однако фактически наблюдае­ мые концентрации кислорода значительно превышают эту вели­ чину.

Установлено также, что величина произведения [%С] [% О ] — т убывает при понижении давления значительно медленнее, чем сле­ дует из уравнения (98), и что значения СО при ее давлении, меньшем некоторого определенного значения, остаются практически неизмен­ ными, несмотря на дальнейшее уменьшение давления рсо- Предель­ ное давление СО, ниже которого дальнейшее уменьшение уже не отра­ жается на раскислительной способности углерода, зависит от состава расплава: для железа, например, оно составляет примерно 10,21 кПа (76 мм рт. ст.), а для нержавеющей стали 1,021 кПа (7,6 мм рт. ст.).

Такое расхождение между расчетными и фактическими данными объясняется, по-видимому, особенностями процесса раскисления углеродом.

Как отмечалось, огромное капиллярное давление (давление по­ верхностного натяжения), возникающее при зарождении пузырька в гомогенной жидкости, приводит к тому, что реакция окисления углерода с образованием пузырьков СО происходит на готовой межфазной поверхности. Но и здесь при зарождении пузырька СО, протекающем в условиях преодоления сил поверхностного натяже­ ния, на него действует значительное капиллярное давление, что приводит к определенному пересыщению металла углеродом и кисло­ родом по сравнению с равновесными концентрациями. С понижением атмосферного и ферростатического давления на пузырек возрастает роль капиллярного давления и при некотором достаточно низком значении двух первых слагаемых общего давления на пузырек реша­ ющее значение в развитии реакции окисления углерода имеет капил­ лярное давление. Поэтому дальнейшее понижение атмосферного давления не оказывает влияния на концентрацию углерода и кисло­ рода в металле.

358

О роли капиллярного давления свидетельствует приведенный ранее пример, а именно то, что предельное давление, до которого наблюдается его влияние на раскислительную способность углерода, для железа равно примерно 10,21 кПа (76 мм рт. ст.), а для нержа­ веющей стали, обладающей заметно более низким поверхностным

«подкипание» стали у стенок кристаллизатора, где меньше глубина ванны и соответственно меньше ферростатическое давление, а также и то, что в агрегатах равной емкости достигается разное предельное значение произведения [% С] X [% О].

В связи с изложенным, если обработка расплава вакуумом пре­ следует цель использовать главным образом преимущества углерод­ ного раскисления, то нет необходимости создавать в агрегате глу­ бокий вакуум. Уменьшение внешнего давления на 133,3 Па (1 мм рт. ст.) равносильно удалению верхнего слоя металла толщиной 2 мм. Поэтому наиболее эффективным будет снижение давления от 102,1 кПа до нескольких сотен паскаль (от 760 до нескольких миллиметров ртутного столба), что обычно легко осуществляется при помощи самых простых насосов. Уменьшение же давления ниже 133,3 Па

ность углерода в вакууме определяется условиями образования пузырьков окиси углерода, то повысить его раскислительную спо­ собность можно введением в расплав готовых пузырьков другого газа, например продувкой металла аргоном.

Действительно, экспериментально установлено, что продувка металла аргоном позволяет заметно повысить раскислительную спо­ собность углерода. Так, в одних и тех же условиях содержание кисло­ рода в металле после выдержки его в спокойном состоянии соответ­ ствовало равновесному давлению СО 15,9 кПа (120 мм рт. ст.), после выдержки с перемешиванием 4,66 кПа (34 мм рт. ст.), а при продувке аргоном 2,67 кПа (23 мм рт. ст.).

Углеродное раскисление в вакууме имеет очень большое значение не только потому, что позволяет раскислить металл, не загрязняя его неметаллическими включениями, но и потому, что, как и в откры­ тых агрегатах, оно способствует перемешиванию металла, его дега­ зации и флотации неметаллических включений, обеспечивая тем самым эффективное рафинирование от кислорода, водорода, азота и неметаллических включений.

Недостатком углеродного раскисления является необходимость иметь в металле некоторое остаточное количество углерода. Это ограничивает возможность его применения при производстве низко­ углеродистых стадей и сплавов.

359

При необходимости можно получить очень чистый по неметалли­ ческим включениям малоуглеродистый металл, раскисляя его в ва­ кууме водородом по реакции

Нггаз 4" [О] = Н2Огаз;

Из записи константы равновесия этой реакции видно, что, пони­ жая давление в системе, нельзя изменить раскислительную способ­ ность водорода, так как при этом в одинаковой мере будут изменяться парциальные давления и водорода и паров воды, а их отношение и, следовательно, остаточное содержание кислорода останутся не­ изменными.

Понизить концентрацию растворенного кислорода можно изме­ нением отношения парциальных давлений воды и водорода, что может быть достигнуто продувкой металла водородом или заполнением системы водородом, выдержкой металла в такой атмосфере и после­ дующим удалением газа из системы. При выдержке металла в атмо­ сфере водорода развивается реакция водородного раскисления, в атмосфере появляются пары воды и реакция затухает. Многократ­ ным наполнением объема водородом и удалением газов после опре­ деленной выдержки можно достичь очень низких остаточных содер­ жаний кислорода.

Можно также проводить раскисление путем продувки водородом

Важное преимущество водородного раскисления заключается в возможности получения металла, свободного не только от продук­ тов раскисления, но и от остаточного раскнслителя, так как водо­ род быстро и достаточно полно удаляется из расплава после раски­ сления при создании над ним разрежения.

К числу отрицательных сторон раскисления водородом относятся большая продолжительность процесса и возможность взрыва при попадании в систему кислорода. Последнее обстоятельство не поз­ воляет использовать преимущества водородного раскисления в ши­ роких промышленных масштабах.

УДАЛЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

В жидком металле могут присутствовать окисные и нитридные неметаллические включения. В процессе обработки вакуумом вклю­ чения могут диссоциировать, покидать металл механическим путем в результате всплывания или выноса на межфазную поверхность

потоками металла. Окисные включения, кроме того, могут восста­ навливаться.

Рассмотрим, в какой мере обработка вакуумом может влиять на каждый из этих процессов.

360