Применение вакуума для улучшения качества стали

Применение вакуума для улучшения качества стали реализуется двумя путями: плавкой в вакууме и внепечным вакуумированием. Внепечное вакуумирование заключается в том, что жидкую сталь, полученную в любом сталеплавильном агрегате, перед ее разливкой выдерживают в вакууме, в результате чего происходит удаление растворенных в ней водорода и азота, так как при снижении давления растворимость газов в стали уменьшается. Кроме того, происходит более полное взаимодействие между кислородом и углеродом, содержащимися в стали. Образующаяся окись углерода [C]+[О]={СО} переходит в газовую фазу. Равновесие реакции в результате снижения общего давления смещается вправо. Константа равновесия этой реакции К_р = p_CO/а_Cа_O), где р_СО – парциальное давление СО, которое определяется в виде доли от общего давления. Поэтому при вакуумировании р_СО резко снижается.

а б в г

Рисунок – Способы внепечного вакуумирования стали

Различают четыре способа внепечного вакуумирования стали:

1 – в ковше в специальной камере: ковш со сталью помещают в камеру, которую затем герметично закрывают и создают в ней вакуум;

2 – при переливе металла из ковша в ковш: пустой ковш устанавливают в камеру, где создают и поддерживают вакуум, а ковш, из которого сливают металл, помещают с соответствующим уплотнением над вакуумной камерой;

3 – парциальное вакуумирование стали: металл пропускают через опускающуюся и поднимающуюся вакуумную камеру;

4 – вакуумирование в циркуляционной камере: циркуляция металла осуществляется в результате поддува нейтральным газом.

Внепечной дегазацией металла в вакууме удается снизить содержание водорода на 40–60%, кислорода на 50–70%, азота на 5–10% от первоначального, а также уменьшить количество неметаллических включений. В результате вакуумной обработки стали повышается ее пластичность и ударная вязкость, хладостойкость и уменьшается склонность к образованию трещин.

Эффективность вакуумной обработки можно повысить, если всю плавку проводить в вакууме. Плавку в вакууме осуществляют обычно в индукционных вакуумных печах (ИВП). Сталь подвергается в ИВП глубокой дегазации, более полному раскислению благодаря длительной выдержке в вакууме и электромагнитному перемешиванию расплава. В процессе плавки из стали удаляются примеси легколетучих цветных металлов.

В ИВП могут быть выплавлены стали практически любого химического состава, за исключением тех, которые легированы легколетучими металлами. В ИВП обычно плавят жаропрочные и другие высоколегированные стали. Получить некоторые сплавы в обычных печах нельзя, поскольку возможности плавки на воздухе ограничены. Только применение плавки в вакууме позволило производить сплавы и стали сложного состава, содержащие такие высокореакционные элементы, как алюминий, титан, бор и др.

Процессы, происходящие в жидком металле при плавке в вакууме, взаимосвязаны между собой и протекают одновременно. Раскисление металла углеродом, при котором происходит выделение пузырей окиси или двуокиси углерода, сопровождается выделением азота и водорода, всплыванием и восстановлением неметаллических включений, испарением примесей легколетучих компонентов и т. д. Использование этого процесса позволяет получать металл с низким содержанием кислорода. Поскольку продуктами раскисления углеродом являются окись и двуокись углерода, почти нерастворимые в металле, то они покидают зону реакции и выделяются из жидкого металла. Это выгодно отличает раскисление углеродом от использования других раскислителей, продукты взаимодействия которых с кислородом остаются в металле. Чем глубже вакуум, тем ниже давление СО, тем выше раскислительная способность углерода, тем меньше кислорода должно находиться в равновесии с данной концентрацией углерода.

Применяя в качестве раскислителя только углерод, не удается полностью раскислить сталь, особенно низкоуглеродистую. Для глубокого раскисления стали необходимо применение металлических раскислителей.

При раскислении в вакууме требуется значительно меньшее количество присаживаемых металлических раскислителей, чем в условиях обычной открытой плавки, когда вводимые элементы окисляются шлаком и окислительной атмосферой.

Цикл плавки в ИВП можно разбить на несколько периодов: загрузка твердой шихты или заливка жидкого исходного металла; создание вакуума; расплавление шихты и присадка дополнительных порций шихты, не вошедших в тигель при первой загрузке; рафинирование жидкого металла; легирование металла и окончательное раскисление; разливка.

Продолжительность отдельных периодов, по данным работы, для печи с массой садки 0,5 т: откачка – 9 мин, загрузка – 5 мин; расплавление – 150 мин, рафинирование – 40 мин, выпуск – 5 мин, чистка тигля– 5 мин. Общая продолжительность – 3 ч 33 мин.

Для легирования, как правило, используют чистые материалы. В случае применения ферросплавов их необходимо перед загрузкой в печь прокаливать для удаления адсорбированной влаги и газов и предотвращения сильных выплесков жидкого металла при попадании в ванну холодных кусков материала. В крупных ИВП применяют жидкую заливку. В качестве полупродукта используют полураскисленную сталь, выплавленную в дуговой печи. Холодный тигель подогревают газовой горелкой до 700 °С. Заливку жидкого металла производят с помощью специальной сливной трубы, установленной внутри печи. Она направляет струю стали непосредственно в тигель и уменьшает разбрызгивание металла при его попадании в разреженную атмосферу; давление перед этим понижают до 0,2–2,5 мм рт. ст. При работе на жидкой завалке продолжительность плавки сокращается.

Наиболее ответственным периодом является рафинирование, которое включает технологические операции, необходимые для удаления из металла растворимых газов, углерода и серы. В этот период проводится раскисление металла углеродом как за счет того углерода, который содержится в шихте, так и путем присадки определенных добавок углерода в виде графита, чугуна, углеродистых ферросплавов. Выдержка при раскислении углеродом продолжается до полного прекращения кипения ванны. Выдержка под вакуумом способствует удалению из металла водорода, азота и кислорода.

На заключительном этапе плавки для достижения минимальных концентраций кислорода в металле применяют металлические раскислители: алюминий совместно с церием, кальций или магний в виде лигатур. При раскислении лигатурами необходимо над металлом создавать повышенное давление аргона для предотвращения выбросов вследствие бурно протекающей реакции раскисления.

Легирование в ИВП проводят в период выдержки. Порядок присадки легирующих элементов определяется их физико-химическими свойствами. С шихтой вводят только некоторые тугоплавкие присадки (W, Мо). После расплавления и раскисления ванны присаживают хром, ванадий. В конце периода выдержки вводят титан и алюминий, непосредственно перед выпуском – РЗМ, кальций, магний, бор.