Газы и углерод в металлах

Фромм Е., Гебхардт Е.
Металлургия, 1980 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах

ДЕГАЗАЦИЯ СТАЛИ

Из экономических соображений плавку и рафинирование обычных металлов, сплавов и сталей проводят раздельно. Раз­деление процесса на два этапа позволило разработать более эффективные вакуумные установки для дегазации и рафиниро­вания, благодаря чему значительно снизились общие капиталь­ные затраты.

Первые предложения по вакуумированию были сделаны еще X. Бессемером в середине прошлого столетия. Впоследствии были изобретены новые способы [9]. Лишь в пятидесятых го­дах настоящего столетия вакуумирование нашло широкое промышленное применение с появлением производительных вакуумных насосов, работавших без повреждений в тяжелых условиях металлургического завода. Обычные механические насосы не могли откачивать   сильно   запыленные   атмосферы, состоявшие в основном из продуктов испарения летучих компо­нентов, и лишь с развитием пароструйных насосов эта проблема была решена [9].

Все методы дегазации стали, которые можно разделить на 4 группы, направлены на снижение содержания водорода, азота и кислорода в жидкой стали. В процессе дегазации заметно снижалось содержание водорода; удаление азота и кислорода на разных установках было различным. Содержание кислорода можно значительно снизить, если раскислять металл углеродом с образованием оксида углерода. Добавки раскислителей и ле­гирующие вводят после раскисления углеродом.

1. ДЕГАЗАЦИЯ В КОВШЕ

В самом простом случае разливочный ковш помещают в вакуумную камеру, к которой присоединены вакуумные насосы (рис. 104). В таких установках, впервые примененными А. М. Самариным с сотрудниками [10] в СССР, уже в начала откачки начинается энергичное выде­ление газа, приводящее к кипению ме­талла. Через несколько минут кипение прекращается и давление понижается до нескольких миллиметров ртутного столба. Обработка 30-т ковша длится 10—20 мин. Для интенсификации ра­финирования и увеличения массы об­рабатываемого металла во время дега­зации необходимо ускорять движение ванны. Это осуществляется различны­ми способами, один из них — введение в металл аргона. Другой состоит в том, что ковш устанавливают в индуктор и для перемешивания хметалла подают ток низкой частоты — от 0,5 до 1 Гц. В этом случае корпус ковша должен быть изготовлен из немагнитной стали. Третий способ предусматривает установку в крышке ка­меры трех электродов для нагрева стали электрическими дуга­ми (процессы Финкл-Моор и А5ЕА-5КР). При этом усилива­ется циркуляция металла и происходит дополнительный нагрев.

 

2. ДЕГАЗАЦИЯ СТРУИ

По способу фирмы «Бохум Ферайн» разливочный ковш ставят на вакуумную камеру, откачанную до давления 0,5— 10 мм рт. ст., открывают стопор ковша и струя металла на­правляется в ковш, стоящий в камере (рис. 105,а). Вся дегазация протекает практически во время свободного падения капель. Вследствие развитой поверхности капель выделение газов получает большое развитие, снижается содержание водо­рода, азота и кислорода, несмотря на короткое время обработ­ки. При такой обработке стали значительно снижается темпе­ратура расплавленного металла. По другому варианту (рис. 105,6) металл из печи непосредственно сливается в отка­чанный разливочный ковш. В этом случае падение температуры при скоростях разливки около 10 т/мин составляет около 50°С.

3. ДЕГАЗАЦИЯ В ИЗЛОЖНИЦЕ

На дегазацию струи металла или дегазацию при переливе из ковша в ковш очень похож способ дегазации в изложнице, при котором выделение газа происходит во время и после залив­ки металла в изложницу вплоть до затвердевания в ней. В этом случае в откачиваемую камеру либо помещают вместо второго разливочного ковша изложницу (рис. 106,а), либо накрывают ее специальной крышкой с вакуумной откачкой (рис. 106,6). Во время разливки стали изложницу герметизируют и подключают к вакуумному насосу.

4. ДЕГАЗАЦИЯ ПРИ ПОРЦИОННОМ ВАКУУМИРОВАНИИ

При такой дегазации лишь часть расплава находится неко­торое время в вакууме и затем возвращается в ковш. Цикл периодически повторяется несколько раз. Способ ДН был раз­работан фирмой «Дортмунд Хёрдер Хюттенунион», его широко используют на многочисленных заводах для вакуумирования масс жидкого металла от 10 до 400 т. Рукав вакуумной камеры опускают в открытый разливочный ковш (рис. 107,а). В ре­зультате откачки металл поднимается в камеру, где из него выделяется газ. Далее вакуумная камера поднимается (рис. 107,6) так, что расплав вытекает из нее и рукав остается заполненным до высоты 1,4 м над уровнем металла в ковше. Это уравновешивает атмосферное давление. При последующем опускании камера снова наполняется свежим расплавом, при подъеме освобождается. Этот цикл периодически повторяется, причем подъемы давления газовой фазы в камере после вакуумирования отдельных порций обычно становятся ниже (рис. 107,в), что свидетельствует о все меньшем выделении га­за. Для уменьшения   тепловых   потерь   вакуумную камеру в большинстве случаев обогревают. Дегазация может по необхо­димости сопровождаться добавкой раскислителей и леги­рующих.

В КН-процессе, разработанном фирмами «Руршталь АГ» и «Гереус», вакуумирование происходит непрерывно. Вакуумная камера (рис. 108) имеет два рукава, причем в один рукав после погружения в расплав и откачки вакуумной камеры подается аргон. Газ поднимается в металле и увлекает за собой жидкий металл так, что со стороны этого рукава металл поднимается выше чем на 1,4 м по сравнению с зеркалом металла ковша. Из камеры металл вытекает по второму рукаву. При постоян­ной подаче газа расплав непрерывно циркулирует через ва­куумную камеру и непрерывно выделяется газ.

ДЕГАЗАЦИЯ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Скорости реакций в жидком состоянии при высоких темпе­ратурах на порядок выше, чем в твердом состоянии, и поэтому дегазацию практически всегда проводят в жидком состоянии. Правда, при обработке в твердом состоянии, например при на­греве или закалке, газы выделяются, причем речь идет о неже­лательном или побочном результате используемого процесса [11]. Например, при спекании частиц процесс дегазации не может быть проведен в жидком состоянии. С помощью спека­ния в вакууме путем нужного управления процессом возможна очистка спекающихся частиц. Так, при спекании тантала и ниобия удаляется водород и азот, а также кислород в виде ле­тучих субоксидов.

Дегазация в твердом состоянии становится необходимой, если после разливки в результате последующих обработок снова возрастает содержание газов. Содержание водорода уве­личивается до нежелаемых концентраций после травления или гальванической обработки, особенно в закаливаемых сталях, которые после травления следует специально дегазировать пу­тем вылеживания при 20—250°С. Титан после травления дега­зируется в высоком вакууме при 550—800°С. Известна также дегазация деталей для радиоламп и высоковакуумных устано­вок [12].