Вакуумирование металла

Эффективность вакуумной обработки стали, как и всех ''ковшевых” и “печных" процессов ее производства, определяется:

1) равновесными, при данных температурных условиях и остаточном давлении газов в вакуум-камере, концентрациями вредных для стали элементов (водорода, азота и кислорода);

2) кинетикой удаления этих газов, испарения некоторых компонентов ванны, перемешивания и выравнивания состава и температуры металла;

3) технически возможной и достижимой степенью приближения всех перечисленных процессов к равновесию.

Вопросы кинетики процессов вакуумирования стали всегда стоят особенно остро, поскольку металлургам обычно приходится заботиться и о сохранении температуры металла на уровне, требуемом условиями его разливки. Интересно отметить, что почти все методы повышения общей поверхности контакта металла и вакуумируемой газовой атмосферы, а также методы понижения ферростатического давления на участки металла, активно выделяющие экстрагируемый газ, одновременно приводят к ускорения не только процессов дегазации металла, но также и теплоотдачи от него. Именно этим объясняется большое разнообразие используемых в настоящее время вариантов вакуумирования: ковшевое с продувкой инертным газом, ковшевое с электромагнитным перемешиванием, порционное (ДН-процесс), циркуляционное (RH-процесс), комбинированные варианты (в том числе "пульсационно-смесителъное" [187] и особенно ASEA-SKF или метод "печь-ковш"), струйное вакуумирование при отливке крупных слитков, непрерывно-струйное при МНЛЗ и др. Необходимым условием успеха вакуумной обработки при всех ее вариантах является высокая производительность вакуумных насосов (в современных условиях это в большинстве случаев многоступенчатые пароструйные насосы). Особое значение при этом имеет величина "остаточного" давления газов в вакуум-камере, которое определяется не только производительностью системы вакуумных насосов, но, частично и "натеканием" вакуум-камеры, т.е. качеством ее сборки и уплотнения. "Натекание" вакуумной установки является особенно неприятным, т.к. оно определяет уровень окислительного потенциала газовой фазы и препятствует раскислению металла за счет углерода, а также тормозит дегазацию стали. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что концентрации водорода и азота к концу периода вакуумной обработки металла (обычно от 10 до З0 минут) все еще остаются выше равновесных с газовой фазой. Этим объясняются продолжающиеся поиски путей интенсификации вакуумной обработки за счет ее конструктивных и технологических изменений.

Сами задачи вакуумной обработки стали сейчас довольно разнообразны. К ним относятся:

а) глубокое обезуглероживание металла за счет растворенного в нем кислорода, перемешивание с относительно железистым шлаком за счет продувки инертным газом и использование оксидов шлака в качестве окислителей;

б) применение для тех же целей газовых смесей с переменным окислительным потенциалом;

в) различные варианты окислительного вакуумирования, обеспечивающего полное обезуглероживание (почти до следов углерода) при сохранении в металле хрома;

г) по возможности полное раскисление стали до введения в нее раскислителей и, следовательно, уменьшение количества, средних размеров и, в конечном счете, отрицательного влияния оксидных неметаллических включений на свойства сталей;

д) удаление водорода из всех флокеночувствительных средне- и высоуглеродистых и легированных сталей;

е) совмещенная вакуум-шлаковая обработка (например, по типу освоенной на заводе «Днепроспецсталь»), когда обрабатываемый металл сначала проходит через вакуум-камеру, дегазируется и дробится в ней на капли и уже затем проникает через толстый слой синтетического, дегазируемого вакуумом шлака.

Дальнейшее распространение вакуумирования является большим резервом повышения качества стали. Его широко применяют, несмотря на дороговизну, в ряде промышленно развитых стран. Например, в Японии вакуумную обработку ежегодно проходят 4,5-5 млн. т. стали.

К настоящему времени уже имеется обширная литература, посвященная совершенствованию конструкций вакуумных установок и систем, самих вакуум-камер, а такие модернизации технологии вакуумирования. Учитывая задачи настоящей работы, авторы решили не рассматривать все эти вопросы и отсылают интересующихся к специализированной литературе, например [34] или [203-206].