Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Вакуумирование - удаение газов и летучих примесей в металлургии

Понижение давления над жидким металлом может вызвать удаление растворенных в нем газов (водорода и азота). Кроме растворенных газов, в атмосферу могут удаляться в газообразном состоянии и металлические примеси, упругость паров которых выше давления в системе (рис. 1). Поэтому на разное состояние при нормальных условиях и разные формы существования в стальном расплаве газов и металлических примесей, существуют общие закономерности их удаления из расплава при вакуумной плавке или обработке стали.

Удаление газов при вакуумомировании стали обусловлено уменьшением их парциального давления в атмосфере при уменьшении общего давления над сталью в результате вакуумирования.

Прямое удаление из металла кислорода при обработке вакуумом практически невозможно, так как парциальное давление кислорода, равновесное с насыщенным раствором кислорода, даже в чистом железе при 1600° С составляет величину порядка 6 x 10-7 Па. Удаление кислорода из расплава при вакуумировании возможно при более низком давлении, но в практике обработки стали вакуумом, как правило, не используют ни такие низкие давления, ни сталь с таким высоким содержанием кислорода.

Зависимость упругости паров некоторых металлов от температуры
Рисунок 1. Зависимость упругости паров некоторых металлов от температуры

Водород и азот содержатся в стали в количествах, обычно превышающих равновесные и при парциальных давлениях, достигаемых в вакуумных агрегатах, поэтому при вакуумировании имеются термодинамические предпосылки для их удаления.

Однако процессы удаления в вакууме газов (водорода и азота) и металлических примесей вследствие непрерывной откачки выделяющихся газов и конденсации паров на сравнительно холодных частях установок носят ярко выраженный неравновесный характер, поэтому оценку этих процессов более правильно проводить не с точки зрения термодинамического равновесия, а с точки зрения кинетики удаления.

Удаление компонентов расплава в газовую фазу в принципе может происходить двумя способами: в результате испарения с поверхности раздела сталь—атмосфера или в результате образования в расплавленном металле газовых пузырьков и их последующего всплывания и удаления, т. е. в результате «кипения».

Как было показано при изучении реакции окисления углерода, гомогенное зарождение пузырьков невозможно вследствие огромного капиллярного давления (тысячи Мн/м2 или десятки тысяч кгс/см2).

Для образования таких пузырей требуется пересыщение в десятки тысяч раз. Поэтому пузыри образуются на готовой (обычно твердой) межфазной поверхности. Но и здесь требуется некоторое пересыщение металла реагирующими компонентами или выделяющимся газом. Однако концентрация газов (водорода и азота) и летучих примесей в стали столь мала, что, по расчетам, она обычно недостаточна для преодоления даже одного ферростатического давления на глубине уже нескольких сантиметров. Поэтому удаление растворенных в стали газов и металлических примесей происходит главным образом в результате испарения их при вакуумировании с поверхности раздела сталь—газ.

Испарение является многостадийным процессом, включающим следующие стадии:

  • Перенос растворенных примесей к поверхности испарения.
  • Адсорбцию атомов примесей в поверхностном слое.
  • Молизацию адсорбированных атомов в молекулы. Эта стадия характерна лишь для многоатомных газов (водорода и азота).
  • Десорбцию адсорбированных молекул в газовую фазу.
  • Отвод примесей от поверхности испарения в газовой фазе.

Как отмечалось ранее, скорость многостадийного процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии. Очевидно, при непрерывной откачке газа и конденсации паров металлов пятая стадия лимитировать процесс не может.

Если удаление лимитируется первой, второй или четвертой стадиями, то общая скорость процесса должна описываться уравнением первого порядка:

  • dC/dx = —kC,

где С — концентрация примеси в металле в данный момент времени;
k — константа скорости.

Если же процесс лимитирует третья стадия, то скорость удаления при вакуумировании должна подчиняться закону второго порядка:

  • dC/dx = -kC2

Экспериментально установлено, что скорость удаления газов описывается уравнением первого порядка. Следовательно, и третья стадия не является лимитирующей.

Таким образом, удаление растворенных примесей при вакуумировании может происходить либо в кинетическом режиме и лимитироваться скоростью перехода частиц с поверхности расплава в газовую фазу, либо в диффузионном и ограничиваться скоростью подвода примеси к месту испарения.

Так как при вакуумированнии наряду с примесями испаряется и основа сплава, то для характеристики процесса рафинирования удобно пользоваться безразмерным коэффициентом разделения Kt, характеризующим отношение концентрации примеси в удаляющейся части сплава к концентрации примеси в расплаве:

  • Kt = Ntуд/Nt

Чем больше значение Kt, тем выше эффективность удаления газов и летучих примесей при вакуумировании. Несмотря на испарение, при К = 1 концентрация примеси в расплаве будет оставаться постоянной, а при К менее 1 — увеличиваться.

Диффузионная стадия удаления газов и прочих примесей может оказаться лимитирующей в области низких концентраций примеси, а также при недостаточной интенсивности перемешивания расплава.

Газы и цветные металлы, оказывающие наиболее сильное отрицательное влияние на свойства стали и сплавов, присутствуют в расплаве в очень небольших количествах, поэтому естественно ожидать, что процесс их удаления лимитируется диффузионной доставкой через неперемешиваемый слой. В этом случае для увеличения интенсивности рафинирования при вакуумировании целесообразно принимать меры, направленные на увеличение интенсивности перемешивания расплава.

На рафинирование расплавов от примесей и в кинетическом, и в диффузионном режиме оказывает влияние еще и температура.

Влияние температуры на процессы удаления примесей из стали, протекающие в диффузионном режиме, проявляется в изменении с температурой величины коэффициента диффузии.

Энергия активации диффузии в свою очередь также зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры.

Следует, однако, иметь в виду, что повышение температуры хотя и не увеличивает эффективности очистки стали от газов и летучих примесей при вакуумировании, но заметно увеличивает интенсивность испарения. Кажущееся противоречие между влиянием температуры на интенсивность и эффективность рафинирования объясняется тем, что одновременно испаряется и примесь, и основной 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 вакуумирования металла, чтобы достаточная глубина рафинирования достигалась при разумной интенсивности испарения.

Источник [4] → список литературы.

Читайте также:

Вернуться в начало раздела: Сталь и ее внепечная обработка
Вернуться на главную: Черная металлургия