» » Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом
25.12.2014

В последнее время с целью дегазации металла и очищения его от неметаллических включений все большее распространение получает обработка жидкой стали вакуумом вне печи.
По вопросу об эффективности разных методов вакуумирования стали среди металлургов нет единого мнения.
Дегазация металла при вакуумировании в ковше может протекать двумя путями:
а) путем диффузии вследствие разности парциальных давлений газов в металле и в газовой фазе над металлом;
б) в процессе кипения металла вследствие разности общего давления газов в металле Pобщ и внешнего давления Рвиеши над металлом.
Расчеты показывают, что дегазация жидкой стали за счет диффузии вследствие низких значений коэффициентов диффузии газов в металле и короткого времени вакуумирования не может получить заметного развития и сколько-нибудь существенно влиять на степень дегазации при малой удельной поверхности границы металл — газ. Дегазация стали успешно идет при ее кипении за счет выделения пузырьков газа.
Для образования газовых пузырей и кипения металла необходимо, чтобы общее давление газов было больше внешнего
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

где P — давление водорода, азота, окиси углерода и паров металла; [Н], [N], [С] и [О] — концентрации водорода, азота, углерода и кислорода в металле; КH, KN — константы растворимости водорода и азота, зависящие от химического состава и температуры стали; Kc — константа равновесия реакции окисления углерода.
Расчетные величины общего давления газов в жидкой раскисленной стали (трансформаторной, 38ХМЮА и ШХ15) при различном содержании газов приведены в табл. 1.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Из приведенных данных видно, что при обычно встречающихся концентрациях газов в жидкой стали общее давление невелико. Даже при максимальных их содержаниях [Н] = 11 мл/100 г, [N] = 0,011%, [О] = 0,007% Робщ — составило: в трансформаторной стали — 0,297, 38ХМЮА — 0,2464 и ШХ15 —0,31 атм.
Внешнее давление Рвиеши на глубине H0 можно выразить уравнением
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

где Рост — остаточное давление в вакуум-камере, кг/см2; Hш — толщина слоя шлака над металлом в ковше, см; γш — удельный вес шлака, равный 0,003 кг/см2; H0 — высота слоя кипящего металла в ковше, см; γм — удельный вес металла, равный 0,007 кг/см3; а — поверхностное натяжение на границе газ — металл, дин/см; r — радиус образующегося пузырька (при возникновении пузырей на границе футеровки ковша, стопора — жидкого металла, можно принять равным 0,05 см).
Если задаться толщиной слоя шлака, величиной поверхностного натяжения и радиусом образующегося пузырька газа, то при различных содержаниях газов в стали и для разных Pocт можно определить максимальную глубину кипящего слоя металла при вакуумировании в. ковше по уравнению
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Результаты расчетов при вакуумировании в ковше разных марок сталей приведены в табл. 2.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Расчеты показывают, что при вакуумировании в ковше спокойных раскисленных сталей, даже при высоком исходном содержании газов в металле и низком остаточном давлении в вакуум-камере, Pост = 0,1—1 мм рт. ст., толщина кипящего слоя металла не превышает 28—37 см, что при глубине ковша в 1,5—2,5 м составляет всего лишь 10—20% объема металла. Изменение величины остаточного давления в пределах 0,1—30'мм рт. ст. мало сказывается на толщине кипящего слоя.
Из табл. 2 видно также, что при вакуумировании в ковше трансформаторной стали и 38ХМЮА при низких исходных содержаниях газов в ней дегазация совсем не наблюдается.
Результаты расчетов хорошо подтверждаются экспериментальными данными, представленными на рис. 1.
Из рис. 1,а видно, что при вакуумировании в ковше трансформаторной стали и 38ХМЮА конечное содержание водорода не зависит от величины остаточного давления при изменении его от 4 до 60 мм рт. ст.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Содержание водорода (рис. 1,6) либо не изменяется, либо несколько увеличивается при низких исходных содержаниях, либо несколько уменьшается в верхних слоях на плавках (38ХМЮА) с высоким исходным содержанием водорода (больше 8,5 мл/100 г).
При вакуумировании в ковше кипящих и нераскисленных сталей величина Робщ повышается за счет Pco [уравнения (2), (4)] и эффект по дегазации несколько возрастает, однако и при этом металл полностью не перемешивается и нижние слои металла по сравнению с верхним подшлаковым слоем имеют более высокое содержание газов и неметаллических включений. Неравномерность дегазации по глубине возрастает с увеличением высоты металла в ковше.
При вакуумировании струи металла при переливе из ковша в ковш или отливке слитков в изложницу металл разбрызгивается на мелкие капли, и условия для дегазации вследствие отсутствия столба жидкого металла и слоя шлака резко улучшаются. Степень дегазации зависит от величины остаточного давления, исходного содержания газов в металле и степени незавершенности процесса.
Степень дегазации струи стали при приближении содержания газов к равновесному с остаточным давлением может быть приближенно рассчитана по уравнению
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

где [Гi] — начальные и равновесные содержания водорода и азота в металле (до и после вакуумирования струи);
Kгi — константа растворимости водорода и азота в стали.
Из этого уравнения следует, что степень дегазации должна возрастать с понижением Рост и с увеличением [Г]нач. При низком начальном содержании газов и высоком Poct будет происходить не удаление газов из металла, а наоборот, поглощение, что часто наблюдается на практике.
На рис. 2, а показана зависимость содержания водорода после вакуумирования струи от величины корня квадратного из остаточного давления. Из рисунков следует, что большинство точек лежит около равновесной прямой А, рассчитанной по уравнению
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Из рис. 2, б и 2, в видно, что степень дегазации возрастает с ростом начального содержания водорода и с уменьшением остаточного давления в камере при вакуумировании струи.
По экспериментальным данным (рис. 2, б, в) удаление водорода наблюдалось при [Н]исх≥5 мл/100 г и Poct≤20—22 мм рт. ст.
При [Н]исх≤5 жл/100 г и Рост 20—22 мм рт. ст. в процессе перелива происходило дополнительное поглощение водорода металлом.
Для получения низкого содержания водорода в металле (менее 3 мл/100 г необходимо, чтобы остаточное давление было не более 4—9 мм рт. ст.
Значительный разброс точек около равновесных значений по Poct объясняется тем, что в конце вакуумирования происходит прорыв струи воздух; через воронку из-за недостаточной толщины слоя металла в ней, а также не постоянства других параметров вакуумирования.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Изменение содержания азота при вакуумировании струи трансформаторной стали ЭЗ показано в табл. 3.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Из приведенных данных следует, что для снижения содержания азота в весе 0,004—0,005% при вакуумировании струи в трансформаторной стали необходимо, чтобы остаточное давление в вакуум-камере было не более 5-7 мм рт. ст. При более высоком остаточном давлении (≥7—10 мм рт. ст.) при начальном содержании азота менее 0,005% происходит поглощение его металлом.
Изменение содержания кислорода в трансформаторной стали ЭЗ за время вакуумирования струи показано в табл. 4.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Раскисление трансформаторной стали под вакуумом углеродом и кремнием происходит по следующим реакциям:
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Полнота протекания реакций будет зависеть от величины Pост и кинетических условий дегазации.
Из табл. 4 видно, что степень удаления кислорода возрастает с ростом его начального содержания в металле и с уменьшением величины Рост.
Из приведенных данных следует, что при Poct = 10—15 мм рт. ст. содержание кислорода снижается с 0,0055 до 0,0046% и с 0,0035 до 0,0042%.
Исследования показывают, что для получения низкого содержания кислорода в трансформаторной стали после вакуумирования струи необходимо, чтобы исходное содержание его было низким и остаточное давление в вакуум-камере было не более 5—10 мм рт. ст.
Результаты исследования показывают, что дегазация металла по водороду, азоту и кислороду при вакуумировании струи нераскисленных сталей протекает более полно, чем раскисленных и высоколегированных сталей.
Недостатки методов вакуумирования стали в ковше и струи при переливе устраняются при продувке металла инертными газами в ковше под вакуумом.
Как показали исследования на заводе Днепроспецсталь, продувка раскисленной и нераскисленной сталей аргоном в ковше под вакуумом в течение 8—12 мин с расходом газа 0,05 Нм3/т позволяет наиболее полно дегазировать металл от водорода, азота и получить сталь, чистую по неметаллическим включениям.
Представленные на рис. 3 данные показывают, что при продувке раскисленной стали аргоном в ковше под вакуумом водород снижается и достигает равновесных значений по Pост. При продувке же нераскисленного металла содержание водорода снижается значительно ниже равновесных концентраций по Pост.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

Как показывают данные рис. 4, продувка нераскисленного металла в ковше под вакуумом позволяет также получать низкие содержания азота в соответствии с равновесием с Рост; при продувке же раскисленных сталей удаление азота протекает хуже, так как в раскисленной стали азот частично связан в нитриды.
При продувке нераскисленной стали ШХ15 в ковше под вакуумом удается значительно снизить содержание кислорода (в среднем на 35%, с 0,0032% до 0,0021) и неметаллических включений. Особенно чистыми по неметаллическим включениям были плавки с продувкой аргоном нераскисленного металла и при низком остаточном давлении в вакуум-камере.
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом

На этих плавках (табл. 5) баллы по оксидам и сульфидам не превышали 1,5—2,0; глобулярные включения, как правило, отсутствовали, макроструктура металла всех плавок была плотной.
Следует ожидать, что при более глубоком вакууме степень дегазации и чистота металла по неметаллическим включениям при продувке возрастут.
Таким образом, из трех разобранных методов продувка металла инертными газами в ковше под вакуумом является наиболее эффективным и простым способом вакуумирования стали вне печи, пригодным как для спокойного, так и для нераскисленного металла. При этом наиболее успешное удаление водорода, азота, кислорода и неметаллических включений происходит при продувке нераскисленных сталей при низком остаточном давлении в вакуум-камере при расходе аргона около 0,05 Hм3/т.
Для резкого повышения эффективности дегазации при вакуумировании струи и с продувкой металла аргоном следует идти по пути резкого снижения остаточного давления (менее 2—5 мм рт. ст.).
Дегазация жидкой стали при вакуумировании в ковше при переливе и при продувке металла инертными газами под вакуумом