Обработка металла в вакууме

Обновлено: 17.05.2024

Вакуум целесообразно применять для процессов, протекающих с образованием летучего продукта. В этом случае, если летучий продукт реакции конденсируется в условиях процесса, как например при металлотермическом восстановлении, вакуум не влияет на условия равновесия реакции (в термодинамическом смысле) и играет чисто кинетическую роль, снижая давление остаточных газов, что способствует испарению и диффузии паров металлов. Если же выделяющийся продукт представлен в виде газа, неконденсирующегося в условиях реакции, как в случае углетермического восстановления, то вакуум, удаляющий этот газ. помимо кинетического значения, играет также термодинамическую роль, сдвигая равновесие реакции в сторону образования газообразного продукта. Поскольку в обоих случаях вакуум способствует снижению температуры процесса, его применение наиболее оправдано для трудновосстановимых (активных) и летучих металлов, таких как кальций, магний, барий, литий и др. Кинетическая роль вакуума подробно была рассмотрена в предыдущем разделе. Выводы, сделанные там, целиком относятся и к условиям металлотермического восстановления.
Ниже рассматриваются термодинамические основы металло- и углетермического восстановления металлов в вакууме. Для установления влияния вакуума на восстановительные процессы остановимся на частном случае восстановления металлов из их окислов. Металлотермическое восстановление окислов в общем виде может быть представлено уравнением

Реакция сдвигается в ту или другую сторону в зависимости от соотношения в величинах сродства MeI и МeII к кислороду. В случае большего сродства МеII к кислороду, чем МeII, реакция будет сдвинута вправо, и наоборот. Величина сродства зависит от температуры. Мерой сродства служит величина изменения изобарно-изотермического потенциала ΔZ0t или свободной энергии образования ΔF0t (в стандартных условиях) окисла металла из простых веществ (металла и кислорода).
Зависимость свободной стандартной энергии образования окислов металлов от температуры рассмотрена выше в разделе теории пирометаллургических процессов, где даны графические изображения этих зависимостей.
Заметим, что падение сродства всех металлов к кислороду при повышении температуры становится особенно значительным с момента начала кипения окислообразующего металла, когда подъем соответствующей кривой ΔF0t = f(Т) делается более резким.
Для ряда окислов кривые ΔF0t = f(Т) пересекаются между собой. В точке пересечения металлы обладают одинаковым сродством к кислороду, и выше этой точки они обмениваются восстановительными способностями.
Так, например, до 1450° сродство магния к кислороду больше, чем у алюминия, который может быть восстановлен из его окисла. Выше 1450°, наоборот, металлический алюминий будет восстанавливать магний. В то же время кальций, вплоть до 2400°, является восстановителем всех металлов и сам не может быть восстановлен ими.
Кривые ΔF0t = f(T) характеризуют зависимость от температуры стандартной свободной энергии реакции окисления (ΔF0t), когда начальные парциальные давления исходных и получающихся в результате реакции веществ равны 1 ат. Если исходные вещества и продукты реакции находятся в твердом или жидком состояниях, изменение давления их не сказывает существенного влияния на величину свободной энергии процесса, но если один или несколько участников реакции газообразны, отклонения от стандартных условий (т. е. когда начальные парциальные давления газообразных участников реакции будут меньше или больше 1 ат) вызывают изменение величины свободной энергии реакции. Величина свободной энергии окисления металлов, например, в зависимости от исходного давления кислорода может изменяться от -∞ до +∞. Свободная энергия, а следовательно, и равновесная температура процесса при пониженных давлениях будут иными, чем когда исходное парциальное давление газообразных веществ равно 1 ат.
Действительно, для реакции окисления

при температуре, не превышающей точку кипения металла, уравнение свободной энергии с учетом исходного парциального давления единственного газообразного компонента — кислорода будет иметь следующий вид (изотерма Ван-Гоффа);

В этом уравнении и при дальнейших рассуждениях положительным принято тепло, поглощенное системой, а константа равновесия представлена как отношение концентрации или активности продуктов к исходным компонентам.

Из уравнения (33) видно, что со снижением исходного парциального давления кислорода уменьшается свободная энергия образования окисла. На диаграмме ΔF = f(Т) это скажется в подъеме кривой в сторону меньших значений ΔF окисла (рис. 14).

С момента начала кипения металла, т. е. когда помимо кислорода в газообразном состоянии будет находиться и металл, уравнение свободной энергии реакции окисления металла примет уже следующий вид:

Как видно из этого равенства, к стандартной свободной энергии помимо поправки нa исходную упругость кислорода добавляют также поправку на упругость паров металла, и кривая ΔF = f(T) в этом случае будет иметь еще более крутой подъем в сторону меньших значений ΔF, чем кривая, характеризующая состояние системы при пониженном давлении до точки кипения металла.
В случае, если газообразным участником реакции будет окисел, кривая ΔF = f (Т) смещается в сторону больших значений ΔF, что легко может быть установлено из рассмотренных выше закономерностей.

Из уравнения (36) следует, что для расчета свободной энергии реакции восстановления, протекающей не в стандартных условиях и с образованием газообразного продукта, необходимо алгебраически сложить значения свободной стандартной энергии образования окислов при данной температуре и в результат внести поправку (с учетом стехиометрического коэффициента n) на исходное парциальное давление участников реакции.
Таким образом, зная исходное парциальное давление газообразного продукта и нормальную (стандартную) свободную энергию реакции, можно определить изменение свободной энергии реакции, протекающей не в стандартных условиях.
В приведенных рассуждениях везде принято парциальное давление, хотя более правильно учитывать летучесть. Однако погрешность от такого допущения невелика в связи с тем, что в рассматриваемых процессах применяются высокие температуры и пониженные (менее 1 ат) парциальные давления участников реакции.
В качестве примера приведем расчет величины свободной энергии реакции взаимодействия окиси кальция и алюминия, протекающей по следующему (упрощенному) уравнению:

Вакуумная обработка стали

Обработка жидкой стали под вакуумом вне печи имеет более широкие возможности, чем плавка в вакуумных печах, применяемая для выплавки высоколегированных сталей и сплавов и требующая больших капитальных затрат. Вакуумная обработка применима для различных, в том числе и для рядовых (конструкционных, легированных) сталей, выплавляемых в любых металлургических агрегатах, и позволяет одновременно дегазировать значительные количества металла (до 250—350 т).

Основными способами вакуумной обработки сталей являются следующие:

Вакуумная обработка жидкой стали в ковше (рис. 125, а) является наиболее простым и дешевым способом, что способствовало широкому его распространению. В этом способе ковш с жидкой сталью помещается в вакуумную камеру, в которой при помощи вакуумных насосов (обычно пароэжекторного типа) создается разрежение 13,33—1999,83 н/м 2 (0,1—15 мм рт. ст,) (чаще всего 666, 610—1999,83 н/м 2 (5—15 мм рт. ст.) 1. Во время выдержки длительность которой (5—25 мин) зависит от количества и состава вакуумированной стали, происходит выделение газов (Н₂, СО, СО₂, Н₂).

На крышке камеры обычно имеется устройство для введения в металл раскисляющих и легирующих добавок, производимых после дегазации. По окончании вакуумирования открывают камеру, извлекают ковш и разливают сталь обычным способом на воздухе.

В результате вакуумирования стали в ковше, так же как и при других способах дегазации, достигается снижение содержания газов в металле — кислорода, азота и особенно водорода; соответственно уменьшается загрязненность стали оксидными неметаллическими включениями. Степень снижения содержания газов в значительной мере определяется степенью раскисленности металла.

Предпочтительно проводить дегазацию нераскисленного или неуспокоенного металла с последующим раскислением и легированием его под вакуумом. При вакуумной обработке такого металла достигается наиболее высокая степень дегазации и раскисления. Так, например, при вакуумировании в ковше бессемеровской кипящей стали содержание кислорода снижалось в 4—10 раз (с 0,02—0,04 до 0,004—0,01%), содержание водорода на 50—60% (с 6,8 до 2,8 мл/100 г) и азота на 20—30% (с 0,015—0,020 до 0,012— 0,015%), что способствовало приближению качества бессемеровского металла к уровню мартеновского.

Вакуумная обработка шарикоподшипниковой стали ШХ15 до ее раскисления кремнием и алюминием позволяет уменьшить содержание кислорода в металле на 40%, снизить количество неметаллических включений примерно в два раза и понизить концентрацию водорода на 50%.

Для повышения интенсивности перемешивания металла, а следовательно, улучшения условий дегазации иногда совмещают вакуумную обработку с продувкой металла нейтральным газом (аргоном), подаваемым в ковш с металлом через специальную футерованную трубу. Для этих же целей применяется электромагнитное перемешивание металла в ковше.

Недостатком вакуумирования в ковше является ограниченная продолжительность обработки вследствие довольно значительного охлаждения металла и разливка вакуумированной стали на воздухе, что приводит к повторному поглощению газов. Для поддержания необходимого температурного режима возможен дуговой или индукционный подогрев металла в ковше. Для исключения повторного поглощения газов применяют разливку вакуумированного металла в защитной атмосфере.

Дегазация струи металла осуществляется при переливе его из ковша в ковш (рис. 125, б); в этом способе создаются более благоприятные условия, чем в предыдущем, для удаления газов. Порожний ковш помещают в камеру, в которой создается разрежение 133,32—399,96 н/м 2 (1—3 мм рт. ст.). На крышке вакуумной камеры устанавливают специальный промежуточный ковш или воронку. Вакуумная камера закрывается алюминиевым листом, являющимся своего рода пробкой, расплавляемой струей жидкой стали. Струя металла в вакууме распадается на капли, что увеличивает поверхность металла, улучшает и ускоряет процесс дегазации. Для 40-т ковша вакуумирование этим способом занимает 8—10 мин.

Дегазация струи металла под вакуумом происходит также при разливке его в изложницы (рис. 125, в), помещенные в вакуумную камеру.

В последнем случае устраняется недостаток всех других способов вакуумной обработки — разливка происходит в вакууме и металл не подвергается воздействию атмосферы воздуха при наполнении изложницы. Разливка в вакууме применяется для отливки крупных слитков массой 150—300 т.

При разливке в вакууме достигается высокая степень дегазации металла. Содержание кислорода может быть снижено до 0,001—0,002%, соответственно резко уменьшается количество неметаллических включений.

Применение вакуумной разливки для нержавеющей стали, трансформаторной, конструкционной легированной стали позволяет значительно повысить качество металла, предназначенного для крупных поковок.

При вакуумировании отдельных порций металла (рис. 125, г) через опущенную в разливочный ковш футерованную трубу жидкая сталь отдельными порциями засасывается в вакуумную камеру. После кратковременной (30 сек) выдержки в камере порция стали возвращается в ковш. При этом поднимается камера с трубой или опускается ковш. Труба все время остается погруженной в металл.

Степень дегазации металла в этом способе зависит от количества вакуумированных порций металла и отношения количества отсасываемой стали к общей массе металла. Содержание кислорода в сталях различных марок (мартеновской и томасовской) при вакуумировании уменьшалось примерно в три раза (до 0,003—0,006%), а содержание водорода снижалось с 8,0 до 2,5 мл/100 г.

Вакуумированная подобным способом сталь отличалась чистотой по неметаллическим включениям, хорошей обрабатываемостью и повышенной устойчивостью против коррозии.

Преимущества способа порционного вакуумирования заключаются в следующем:

представляется возможным обрабатывать большие количества металла (плавок до 270—360 т);
не требуются большие вакуумные камеры и мощное вакуумное оборудование;
возможность нагрева металла в вакуумной камере в значительной мере устраняет снижение его температуры.

Недостатком способа является сложность механического оборудования установки и разливка вакуумированной стали на воздухе с повторным поглощением металлом газов.

При вакуумировании циркуляционным способом — в открытый ковш с жидким металлом (рис. 125, д) погружают две футерованные трубы, примыкающие к нижней части вакуумной камеры. Благодаря разрежению, создаваемому в вакуумной камере, и подаваемому в нижнюю часть одной из труб газу-носителю (аргону), металл поднимается по этой трубе и поступает в камеру. Инжектируемая аргоном струя металла при входе в камеру разбрызгивается, металл подвергается дегазирующему воздействию, стекает по наклонному дну камеры к второй трубе, и возвращается по ней в ковш. Скорость циркуляции при емкости камеры 1 т составляет 5—20 т/мин. Расход аргона около 25 л/т стали. Предусмотрен подогрев металла индуктором, установленным на трубе, по которой металл возвращается в ковш.

Циркуляционный метод отличается высокой производительностью. Ему свойственны примерно те же недостатки и преимущества, что и порционному вакуумированию.

Вакуумирование стали

Идея использования вакуума при выплавке стали была высказана еще Г. Бессемером в XIX в., но в промышленных масштабах начали широко применять его только с начала 50-х годов XX в. после создания пароэжекторных вакуумных насосов, имеющих высокую производительность и обеспечивающих глубокий вакуум.

В современной сталеплавильной практике диапазон применения вакуумирования весьма широк. Во-первых, оно является обязательным элементом технологии ковшевой обработки металла, которая широко применяется при производстве качественных сталей массового назначения. Во-вторых, при производстве в небольших объемах сталей специального (особо ответственного) назначения под вакуумом проводят как выплавку, так и разливку стали.

При выплавке сталей массового назначения вакуумированием решают следующие основные задачи:

Удаление из металла водорода до остаточного содержания его не более 1,5-2 мл/100 г, при котором исключается образование внутренних трещин (флокенов) в твердой стали.
Вакуумно-углеродное раскисление стали.
Глубокое обезуглероживание металла, когда углерод является вредной примесью (получение остаточного содержания углерода менее 0,01%, в пределе не более 0,001-0,002%).

Из многочисленных способов, предложенных в разных странах, наибольшее промышленное применение имеют два – порционный и циркуляционный способы, разработанные в Германии, а также практическое применение имеет струйное вакуумирование, впервые промышленно освоенное в СССР при отливке крупных слитков, имеющих массу до 100 т и более.

Порционный способ вакуумирования стали

Порционный способ вакуумирования стали был разработан и промышленно освоен в 1956 г. западно-германской фирмой “Дартмунд Хердер Хюттенюнион”. Обычно его называют способом ДН. Принципиальная схема конструкции установки и ее работа показаны на рис. 112а.

Металл засасывается в вакуумную камеру порциями через огнеупорный патрубок, нижний конец которого постоянно находится в металле. Засасывание металла происходит благодаря разности давлений на расплав в открытой части ковша и в вакуумной камере. Из физики известно, что при полном вакууме и внешнем давлении в 1 ат ртуть, имеющую плотность 13,6 г/см 3 , можно поднять на 760 мм (ртутный барометр), а воду, имеющую плотность 1 г/см 3 , на 10 м. Жидкое железо имеет плотность около 7 г/см 3 , следовательно, его можно поднять на 1,43 м. Полного вакуума в вакуумной камере не бывает, поэтому можно считать, что жидкое железо с помощью вакуума можно максимально поднять на 1,4 м.

Эту величину учитывают при установлении параметров конструкции вакуумной камеры, которая должна обеспечивать засасывание в один прием 10-12% метала от общей массы его в
ковше.

Слив металла обратно в ковш осуществляется увеличением расстояния между ковшом и вакуумной камерой, для чего или поднимают вверх вакуумную камеру, или опускают вниз ковш. Обычно вариант перемещения ковша принимают при его вместимости менее 100 т. Если же масса металла в ковше больше, то перемещают вакуумную камеру. Последний вариант является более распространенным.

Один цикл, обеспечивающий всасывание и слив, обычно продолжается 15-30 с. Общая продолжительность вакуумирования определяется количеством циклов, которое зависит от коэффициента (показателя) циркуляции, выражающего отношение суммарной массы металла, прошедшей через вакуумную камеру, к массе стали в ковше. Средняя величина коэффициента циркуляции обычно равна пяти, т.е. через вакуумную камеру необходимо пропустить металл пять раз. Обычно конкретное требуемое значение его устанавливают экспериментально применительно к конкретной вакуумной установке, определенной группе вакуумируемых марок сталей и решаемой главной технологической задаче.

Если принять, что каждый цикл обеспечивает всасывание 10% металла, находящегося в ковше, то для одного пропуска его через вакуумную камеру необходимо 10 циклов. При коэффициенте циркуляции пять общее число циклов потребуется 50. Следовательно, продолжительность вакуумирования составит до 25 мин. В случае глубокого обезуглероживания может возникнуть необходимость довести коэффициент циркуляции до 10 и более, поэтому продолжительность вакуумирования может составить до 40-50 мин. Но это может привести к чрезмерному охлаждению металла.

Эффективность вакуумирования стали любым способом в большой степени зависит от разрежения в камере, т. е. от остаточного давления газов в ней, которое зависит от типа и производительности вакуумных насосов, а также от времени вакуумирования. В начале процесса, когда газовыделение из металла энергичное, остаточное давление относительно высокое, а в конце процесса оно минимально и обычно составляет 0,5 мм рт.ст. (0,067 кН/м 2 ). Лучшие вакуумные насосы обеспечивают конечное давление 0,1-0,2 мм рт. ст.

Циркуляционный способ вакуумирования

Циркуляционный способ вакуумирования был опробован в производственных условиях в 1959 г. фирмой “Руршталь Гереус”, часто его сокращенно называют способом RH. Этот способ по конструкции устройства и гидродинамическим условиям взаимодействия металлической и газовой фаз является более совершенным, чем порционный способ, поэтому он имеет большее распространение.

Принципиальная схема работы установки циркуляционного вакуумирования показана на рис. 112б. Вакуумная камера имеет два патрубка – всасывающий (подъемный) и сливной. В рабочем положении нижние концы обоих патрубков погружаются в металл, а камера остается неподвижной. Донная часть ее должна находиться на таком расстоянии от уровня металла в ковше, чтобы было обеспечено затопление этой части металлом при создании разряжения в камере. Циркуляция металла ковш-камера-ковш обеспечивается благодаря подаче в подъемный патрубок аргона, пузыри которого, разрыхляя металл, снижают его плотность в патрубке, вызывая тем самым всасывание дополнительного количества металла, вызывающего повышение его уровня в камере. По достижении определенного уровня (несколько более 1,4 м над уровнем в ковше) плотный металл вытекает по сливному патрубку в ковш, поскольку имеет большую плотность.

Скорость циркуляции металла зависит от создаваемого в камере разряжения, диаметра всасывающего патрубка и расхода аргона. Обычно эти параметры выбирают так, чтобы через вакуумную камеру можно было пропустить весь металл один раз за 3-5 мин. Следовательно, при коэффициенте циркуляции пять продолжительность вакуумирования будет составлять 15-25 мин.

Из практики известно, что при циркуляционном вакуумировании продолжительность обработки металла в ковше можно уменьшить по сравнению с порционным вакуумированием, не ухудшая, даже улучшая конечные показатели. Этому в немалой степени способствует обработка металла аргоном во всасывающем патрубке. Циркуляционное вакуумирование – это по существу комбинированная вакуумно-аргоновая обработка стали в ковше.

Следует особо подчеркнуть, что в способах порционного и циркуляционного вакуумирования в классических вариантах, описанных выше, кинетические условия взаимодействия металлической и газовой фаз являются явно недостаточными для реализации термодинамических возможностей. Об этом свидетельствует сопоставление данных, полученных термодинамическими расчетами, с фактическими данными, наблюдаемыми в производственных условиях по обезуглероживанию металла.

Равновесные соотношения содержаний углерода и кислорода в металле для температуры 1600°С несколько упрощенно могут быть описаны простым уравнением [C] · [O]=0,0025P_CO, где P_CO – парциальное давление CO в газовой фазе, которое в случае вакуумирования можно принять равным остаточному давлению в вакуумной камере (ат). Указанное уравнение графически представлено на рис. 113.

Как указывалось выше, современные вакуумные установки обеспечивают остаточное давление 0,5 мм рт. ст., т. е. менее 0,001 ат. Следовательно, можно принять, что P_CO ≤0,001 ат.

Остаточное содержание углерода в металле в конце окислительного рафинирования обычно составляет менее 0,05%, ввиду чего фактическое содержание кислорода более 0,10%. При вакуумировании концентрации углерода и кислорода в металле снижаются благодаря протеканию реакции [C]+[O]=, но остаточное содержание кислорода всегда составляет не менее 0,02% (имеется в виду вакуумирование нераскисленной стали).

Согласно рис. 113, при [O]≈0,02% и P_CO ≈0,001 ат равновесное остаточное содержание углерода в металле должно составлять примерно 0,0001%. Практически же с очень большим трудом удается получать 0,001%, т. е. на порядок меньше.

Ввиду этого предпринимались шаги по созданию способов, улучшающих кинетические условия взаимодействия металлической фазы с газовой. Результатом является разработка способов вакуумирования в струйном режиме, когда жидкий металл дробится на мелкие капли, чем обеспечивается резкое увеличение поверхности контакта металла с газовой фазой, аналогично увеличению поверхности контакта пузырей аргона с металлом при уменьшении их диаметра.

Струйное вакуумирование при отливке крупных слитков

Струйное вакуумирование при отливке крупных слитков было разработано в СССР, промышленно освоено на “Уралмашзаводе”, применяется широко при отливке крупных слитков массой до 100 т и более, обрабатываемых, как правило, ковкой. Разработка и промышленное освоение этого способа вакуумной обработки стали является принципиально новым шагом в повышении качества весьма ответственных крупных изделий, поэтому создатели его были отмечены Государственной премией.

Принципиальная схема установки показана на рис. 114. Изложница для приема металла помещается в вакуумную камеру. Металл из сталеразливочного ковша попадает в промежуточную емкость, представляющую большую воронку; через воронку металл попадает в вакуумную камеру, где разбивается на мелкие капли благодаря естественному газовыделению; капли металла, имеющие огромную удельную поверхность, взаимодействуют с газовой фазой (подвергаются воздействию вакуума) во время их падения. Кроме того, металл, находящийся в изложнице, тоже подвергается воздействию вакуума примерно так же, как при порционном вакуумировании.

Сталь для отливки крупных слитков обычно содержит углерода не менее 0,2%, нередко до 0,5% и даже выше. Поэтому при ее обработке вакуумом описываемым способом происходит не только глубокая дегазация, обеспечивающая полное устранение образования флокенов (опасного дефекта крупных слитков легированной стали), но и глубокое вакуумно-углеродное раскисление, результатом которого является весьма существенное снижение содержания оксидных неметаллических включений в слитке. В итоге наблюдается скачок в повышении качества стали и изделий из нее.

Это связано, во-первых, с тем, что улучшаются кинетические условия взаимодействия металла с газовой фазой, благодаря чему эффективность вакуумирования существенно повышается; во-вторых, весь эффект вакуумирования сохраняется (фиксируется в готовом металле). При порционном и циркуляционном вакуумировании часть эффекта этой операции теряется во время разливки стали. К сожалению, лишь малая доля (не более 5%, редко выше) производимой стали идет на отливку крупных слитков. Основная масса производимой стали разливается непрерывным способом с использованием явно малоэффективных способов порционного и циркуляционного вакуумирования. Учитывая это, в СССР в конвертерном цехе № 2 НЛМК была сделана попытка совместить струйное вакуумирование с непрерывной разливкой (А. с. 295607 СССР).

Струйное вакуумирование, совмещенное с непрерывной разливкой

Струйное вакуумирование, совмещенное с непрерывной разливкой, названное авторами поточным вакуумированием, по идее является способом, заслуживающим самого серьезного внимания. Принципиальная схема установки показана на рис. 115, которая вполне понятна без дополнительного пояснения.

Проведенные производственные эксперименты показали, что при таком способе вакуумирования обеспечивается почти полная реализация термодинамических возможностей обезуглероживания металла. Кроме того, этот способ позволяет весьма существенно сократить время нахождения металла в ковше по сравнению с обычными способами вакуумирования, благодаря чему становится возможным выпускать металл из сталеразливочного агрегата с меньшим перегревом выше температуры плавления; почти полностью исключить вторичное насыщение металла газами во время разливки, неизбежное при вакуумной обработке обычными способами.

Основным недостатком рассматриваемого способа вакуумирования является необходимость увеличения расстояния между сталеразливочным и промежуточным ковшами, а это в действующих цехах практически невозможно.

По нашему мнению этот самый перспективный способ вакуумирования стали может быть полноценно реализован при изменении принципа подвода вакуумированного металла в промежуточный ковш.

Обработка металла в вакууме

Обработка жидкой стали вакуумом вне печи имеет более широкие возможности, чем плавка в вакуумных печах, применяемая для производства высоколегированных сталей и требующая больших капитальных затрат. Вакуумная обработка применима для различных, в том числе и рядовых, сталей (конструкционных, высоколегированных), выплавляемых в любых металлургических агрегатах, и позволяет одновременно дегазировать значительные количества металла (до 150—300 т).
В настоящее время вакуумная обработка пока еще используется в ограниченных масштабах из-за высокой стоимости оборудования. Применяются следующие способы вакуумной обработки стали:
1) дегазация стали в ковше, помещенном в вакуум-камеру;
2) дегазация отдельных порций металла, отбираемых из ковша, специальной вакуум-камерой, и циркуляционная дегазация;
3) дегазация струи металла при переливе из ковша в другой ковш, помещенный в вакуум камеру;
4) разливка стали под вакуумом в изложницы.
При вакуумной обработке стали в ковше в вакуумную камеру (рис. 54) помещают ковш с жидкой сталью. При помощи вакуумных насосов в камере создается разрежение порядка 5—40 мм рт. ст. Во время выдержки, длительность которой (10—25 мин.) зависит от количества и состава вакуумируемой стали, из металла выделяются газы, при этом сталь бурно кипит. По окончании вакуумирования ковш извлекают из камеры и разливают сталь на воздухе.
При вакуумной обработке в ковше бессемеровской кипящей стали содержание кислорода снижалось в 4—10 раз (с 0,02—0,04 до 0,004—0,01% содержание азота — на 20—30% (с 0,015—0,020 до 0,012—0,015%), поэтому качество бессемеровского металла приблизились к качеству мартеновского.

Вакуумная обработка трансформаторной стали (до 0,05% С, до 0,008% S и 2,8—3,2% Si) вследствие снижения содержания газов позволяет понизить ваттные потери и повысить пластические свойства металла при холодной прокатке. После аакуумирования в ковше значительно улучшаются свойства конструкционных легированных сталей.
Эффективность этого способа зависит от интенсивности перемешивания металла в ковше в процессе вакуумирования. Высокое гидростатическое давление в ковшах большой емкости при недостаточном перемешивании препятствует удалению газов. Кроме того, при последующей разливке ваккумированного металла на воздухе возможно поглощение газов.

При вакуумной обработке отдельных порций металла (рис. 55) через опущенную в разливочный ковш трубу жидкая сталь отдельными порциями засасывается в вакуумную камеру. При емкости ковша 40—100 т вес порции металла примерно 4 т. После кратковременной (30 сек ) выдержки в камере порция стали возвращается в ковш.
Вакуумированию подвергают 10—30 порций металла. Продолжительность обработки для ковша емкостью 30 т составляет около 10 мин , 80—100 т — до 30 мин. Для компенсации тепловых потерь в вакуумной камере применен косвенный дуговой обогрев.
Степень дегазации металла зависит в этом способе от количества вакуумированных порций металла и от отношения количества отсасываемой стали к общему весу металла. Содержание кислорода в сталях различных марок (мартеновской и томасовской) при вакуумировании уменьшалось примерно в три раза (до 0,003—0,006%), а содержание водорода снижалось с 8,0 до 2,5 млг/100 г.
Вакуумированная подобным способом сталь обладала чистотой относительно неметаллических включений, хорошей обрабатываемостью и повышенной устойчивостью против коррозии.
Дальнейшим развитием этого способа является циркуляционная дегазация стали. Установка для нее представляет собой футерованную камеру объемом около 1 м3 с всасывающей и отводящей трубами, которые погружаются в ковш с металлом. Циркуляция осуществляется за счет разрежения, создаваемого в камере инжектируемым газом (аргоном), который подается во всасывающую трубу. Скорость циркуляции достигает 5—20 т/мин.
При дегазации струи металла создаются более благоприятные условия для удаления газов. При этом способе (рис. 56) порожний ковш помещают в камеру, в которой создается необходимое разрежение (5—10 мм рт ст.). На крышке вакуумной камеры устанавливают специальный промежуточный ковш или воронку. Отверстие вакуумной камеры закрывается алюминиевым листом, который служит своего рода пробкой, расплавляющейся струей жидкой стали. При попадании в вакуум струя металла разбрызгивается на мелкие капли, отчего улучшаются условия дегазации и ускоряется дегазация. Для 40 т металла вакуумирование этим способом занимало 8—10 мин Подобный процесс дегазации струи металла в вакууме происходит также при разливке крупных слитков в изложницы.

В этом случае устраняется недостаток указанных выше способов — разливка происходит в вакууме и металл не подвергается действию атмосферы воздуха при наполнении изложницы.
Разливка в вакууме применяется для отливки крупных слитков весом до 150—300 т. При разливке в вакууме достигается высокая степень дегазации металла, содержание кислорода снижается до 0,001—0,002%, резко уменьшается и количество неметаллических включений.
Применение вакуумной разливки позволило значительно улучшить качество металла, предназначенного для крупных поковок.

В последнее время все более широко применяют термическую обработку в вакуумных печах и установках. Наиболее распространен вакуумный отжиг, но уже созданы вакуумные установки для закалки и старения сплавов. Вакуум в термических печах и установках создастся главным образом в двух целях: а) для уменьшения содержания водорода в металле до безопасного уровня, гарантирующего отсутствие водородной хрупкости в процессе изготовления и эксплуатации конструкции или детали; в этом случае глубина вакуума является активным фактором, определяющим эффективность термической обработки; б) для предотвращения взаимодействия металлов с газами, составляющими атмосферу обычной печи; в этом случае вакуум служит защитной средой. Принципы выбора режимов термической обработки, в частности глубины вакуума, в этих двух случаях существенно различны.
Уменьшение содержания водорода в металле при вакуумном отжиге основано на обратимости взаимодействия металлов и сплавов с водородом. Над металлом устанавливается вполне определенное равновесное давление водорода, которое зависит от температуры и концентрации водорода в металле. Изменение температуры или давления в системе приводит к изменению концентрации водорода в металле до значений, соответствующих новым условиям равновесия. Как уже отмечалось выше, равновесное давление водорода в газовой среде и концентрация С водорода в металле связаны уравнением Ворелиуса (14). Эту взаимосвязь представляют в виде изотерм, изобар или изоконцентрат.
Рассмотрим в качестве примера систему титан-водород. Допустим, что титан, содержащий 1 % (ат.) или 0,02 % (по массе) H2, нагрет до 700°С. Kак следует из системы изоконцентрат, приведенном на рис. 24, равновесное давление водорода над титаном c l % (ат.) Н2 при этой температуре составляет 13,3 Па. Если в системе поддерживается давление водорода, равное 0,133 Па, то водород будет удаляться из титана до тех пор пока в металле не установится концентрация, соответствующая этому давлению, т. е. 0,1 % (ат.) или 0,002 % (по массе) Таким образом, водород удаляется из металла при при вакуумном отжиге в том случае, если парциальное давление водорода в атмосфере печи меньше его равновесного давления, соответствующего содержанию водорода в металле. К такому же выводу можно прийти и из анализа диаграмм состояния водорода с экзотермически поглощающими его металлами.

При различных сочетаниях параметров (толщины отжигаемой детали, температуры вакуумного отжига, мощности откачных систем) скорость обезводороживания контролируется различными процессами. В реальных условиях осуществления вакуумного отжига однородного материала (при достаточно высоких температурах и малых натеканиях) можно учитывать лишь диффузию водорода из объема металла к его поверхности. В этом предельном случае продолжительность вакуумного отжига для снижения содержания водорода от исходного содержания С0 до Ск в средние изделия можно оценить по уравнениям:

где r — радиус iара или цилиндра; h — толщина плиты (листа); D — коэффициент диффузии водорода в металле; Cp — равновесная концентрация водорода в соответствии с уравнением Борелиуса.
Для расчета режимов вакуумного отжига детали сложной формы необходимо найти ее наиболее толстый участок и время обезводороживания принять таким же, как для плиты, толщина которой равна толщине наиболее толстого участка. Если форма этого участка значительно отличается от плоской (крайний случай шар), то расчетная продолжительность отжига получается несколько завышенной, так как плита обезводороживается медленнее всех остальных форм. Время обезводороживания деталей с внутренними полостями можно, в первом приближении, рассчитывать как для плиты, толщина которой равна удвоенной толщине в наиболее толстом сплошном сечении детали с внутренней полостью.
Для расчета параметров вакуумного отжига по приведенным выше уравнениям необходимо прежде всего оценить максимально допустимую концентрацию водорода Cд в конструкции, при которой будет исключена опасность развития водородной хрупкости во все время эксплуатации детали. Для этого необходимо знать количественную взаимосвязь между содержанием водорода в сплаве и его служебными характеристиками, подобную приведенной на рис. 22.
Далее следует оценить равновесную концентрацию водорода Cр, достижимую при бесконечно большой продолжительности вакуумного отжига. Из уравнений (28) следует, что равновесном концентрации водорода можно достигнуть лишь через бесконечно большое время, так как при Ск→Ср t→∞. Поэтому при вакуумном отжиге нужно стремиться не к минимально возможному равновесному содержанию водорода Ср, соответствующему уравнению Борелиуса при заданной температуре вакуумного отжига, а к некоторому заданному значению, которое достигается за приемлемое время. На рис. 25 приведена на примере сплава ОТ4 взаимосвязь между длительностью вакуумного отжига при разных температурах и заданной конечной концентрацией водорода при допущении, что С0=8Ск. Параметры коэффициента диффузии в металле D0=2,7*10в-2 см2/с, Q=57800 Дж/моль. Из этих данных следует, что равновесную концентрацию Cр целесообразно задавать в 2—3 раза меньше конечной концентрации.

После оценки Cр следует определить возможную температуру вакуумного отжига. Давление в пространстве печи при вакуумном отжиге создается в основном водородом. Так, в частности, при вакуумном отжиге титана и его сплавов 94—96% общего давления в печи приходится на парциальное давление молекулярного водорода; остальная часть давления складывается из парциальных давлений кислорода, азота, паров воды и вакуумного масла. Таким образом, разрежение, обеспечиваемое вакуумной системой печи, можно принять за равновесное давление водорода в уравнении Борелиуса (14). Константы ψ и Q, входящие в это уравнение, должны быть известны заранее из экспериментальных данных. Такие данные имеются в специальной литературе; некоторые из них будут приведены ниже при обсуждении вакуумного отжига конкретных металлов и сплавов на их основе.
По известным значениям ψ, Q и заданным значениям давления водорода р, его равновесной Ср и конечной Ск концентрации в металле температуру вакуумного отжига можно вычислить из уравнения Борелиуса для данного сплава. Если известны изотермы, изобары или изоконцентраты для данной системы металл (сплав) - водород, то температуру вакуумного отжига можно оценить и графически. Так, в частности, из рис. 24 иллюстрирующего изоконцентраты равновесного давления водорода для титана, следует, что при давлении в вакуумной печи 0,013 Па для обеспечения содержания в металле менее 0,001 % (по массе) или ~ 0,05% (ат.) H2 необходимо выбрать температуру вакуумного отжига выше 620° С Удаление водорода из металла — процесс диффузионный, в связи с чем нижний интервал температур вакуумного отжига может лимитироваться продолжительностью процесса дегазации, так как с понижением температуры коэффициент диффузии водорода в металлах и сплавах резко уменьшается по экспоненте.
При выборе оптимальной температуры дегазирующего вакуумного отжига следует иметь в виду, что во время этой технологической операции, помимо удаления водорода из металла, могут проходить побочные процессы. Так, в частности, если вакуумному отжигу подвергают предварительно нагартованный металл, то в металле могут развиваться процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации. Если необходимо сохранить, хотя бы частично, наклеп, созданный предварительной обработкой давлением, то температура вакуумного отжига должна быть ниже температур эффективного разупрочнения металла в результате возврата, полигонизации или рекристаллизации, Однако не всегда такой выбор режимов отжига возможен. В некоторых случаях разупрочнение, развивающееся в процессе вакуумного отжига, желательно, и тогда температуру вакуумного отжига необходимо выбирать выше температур начала возврата, полигонизации или рекристаллизации.
При вакуумном отжиге могут сниматься нежелательные внутренние напряжения, а также поверхностные сжимающие полезные остаточные напряжения. В ряде случаев снятие при вакуумном отжиге поверхностных сжимающих напряжении приводит к снижению циклической прочности и повторно-статических характеристик. При вакуумном отжиге термически упрочняемых сплавов могут развиваться процессы распада пересыщенных растворов, коагуляции упрочняющих фаз, их растворение. При выборе оптимальных режимов отжига необходимо учитывать все побочные процессы, которые могут протекать при вакуумном отжиге. Следует иметь в виду, что при оценке температуры отжига по уравнению Борелиуса получают возможную температуру для экзотермических и верхнюю для эндотермических окклюдеров. Поэтому есть довольно широкие возможности варьирования этой температуры.
После выбора возможной температуры вакуумного отжига вычисляют коэффициент диффузии водорода в данном сплаве при выбранной температуре. Для этого заранее должка быть известна температурная зависимость коэффициента диффузии водорода в данном металле или сплаве D = D0 ехр(-Q/RT). Далее по уравнениям (28) находят продолжительность вакуумного отжига t.
На продолжительность вакуумного отжига существенно влияет толщина h отжигаемых деталей и изделий, причем ввиду параболического характера зависимости (28) продолжительность отжига возрастает пропорционально квадрату толщины. Для выбранных выше параметров D0, Q, характерных для титановых сплавов, при толщине листа 10 мм продолжительность вакуумного отжига при температуре 700° С должна составлять примерно 170 мин, чтобы снизить содержание водорода в 8 раз, в то время как при толщине 3 мм достаточно было 15 мин отжига (рис. 26). Продолжительность вакуумного отжига можно уменьшить, повышая его температуру в разумных пределах. Для металлов, экзотермически абсорбирующих водород, повышение температуры приводит к увеличению равновесного давления водорода над металлом при заданной концентрации, так что повышение температуры вакуумного отжига будет только облегчать условия удаления водорода из металла.

Температура вакуумного отжига должна быть достаточно высокой для удаления водорода из металла. В то же время она не должна быть слишком высокой, поскольку при некоторых температурах начинается интенсивное испарение легирующих элементов из поверхностного слоя металла, вакуумное растравливание поверхности, происходят необратимые и недопустимые изменения свойств. Нижняя предельная температура вакуумного отжига может быть ограничена не только диффузионной подвижностью водорода, по и затормаживающим действием естественной окисной пленки.
Некоторые цветные металлы титан, цирконии, ниобий, тантал и ряд других являются эффективными геттерами В этих случаях следует предусмотреть напуск воздуха на стадии охлаждения при температурах, которые обеспечивают создание надежной защитной пленки, но уже не приводят к недопустимому газонасыщению поверхностных слоев металла.
На основе описанных выше данных можно сформулировать общие принципы выбора режимов вакуумного отжига металлов и сплавов: а) оценка максимально допустимой концентрации Cn водорода в данном конкретном применении; конечную концентрацию водорода Cк выбирают равной Cд; б) определение необходимой для расчетов равновесной концентрации водорода Cр, теоретически достижимой при бесконечно большой продолжительности вакуумного отжига; она должна быть в 2—3 раза меньше Ск; в) расчет по формулам (14) температуры вакуумного отжига, которая обеспечивает равновесную концентрацию водорода Cp при достигаемом давлении в вакуумной печи; г) уточнение оптимальной температуры вакуумного отжига с учетом условии дегазации и влияния режимов вакуумного отжига на механические и служебные свойства металлов и сплавов; д) вычисление продолжительности вакуумного отжига по формуле (28); при этом по известным литературным данным определяют коэффициент диффузии водорода в отжигаемом сплаве при выбранной температуре, а также Учитывают заданные значения Cк и Cр и исходное содержание водорода C0. Если продолжительность вакуумного отжига при выбранной температуре оказывается слишком большой, то температуру вакуумного отжига можно повысить в разумных пределах; е) оценка необходимости напуска воздуха в процессе охлаждения отожженной конструкции с целью создания защитной окисной пленки на заключительной стадии вакуумного отжига.
Eсли вакуум служит способом защиты металла от взаимодействия стазами, составляющими атмосферу, то режимы термической обработки определяются в основном природой металла (сплава) и назначением применяемого вида термической обработки. В отличие от термической обработки в естественной среде выбор режимов термической обработки в вакууме характеризуется следующими особенностями:
а) теплопередача в вакууме осуществляется в основном излучением, в связи с чем продолжительность нагрева и охлаждения при обработке в вакууме больше, чем в естественной среде (скорость охлаждения после термической обработки можно искусственно ускорить, например, вводя в печь холодный гелий);
б) при термической обработке в вакууме, помимо основных процессов, могут проходить побочные (дегазация металла, вакуумное растравливание поверхности; испарение летучих компонентов из поверхностного слоя и т. п.).
Основная задача, которая возникает при термической обработке в вакууме состоит в оценке необходимой глубины вакуума и допустимого натекания. При выборе глубины вакуума оценивают возможное взаимодействие данного сплава с кислородом, поскольку металлы более активно взаимодействуют с кислородом, чем с азотом. Кроме того, окислы и растворы кислорода в металле возникают при взаимодействии не только с молекулярным кислородом, но и с парами воды.
В том случае, когда кислород растворяется в металле в заметных, недопустимых количествах, его парциальное давление в вакуумном пространстве должно быть меньше равновесного давления кислорода, отвечающего уравнению Борелиуса (14).
Если кислород образует с металлом окислы, нерастворимые в заметных количествах в металлах, то парциальное давление кислорода в вакуумном пространстве должно быть меньше упругости диссоциации окислов при температуре термической обработки.
Натекание газа в вакуумное пространство следует сводить к минимуму, особенно при термической обработке таких активных металлов, как титан, цирконии, ниобий, тантал. Эти металлы обладают высокими геттерными свойствами и столь интенсивно поглощают газы, что даже при сильном натекании в системе будет достаточно высокий вакуум. Поэтому высокий вакуум в системе при термической обработке этих металлов не всегда свидетельствует о надежной их защите от газонасыщения.
При выборе режимов вакуумного отжига таких активных металлов, как титан, ниобий, молибден и др., нельзя полностью исключить окисление металлов, так как для этого необходим чрезвычайно высокий вакуум. Так, например, чтобы исключить образована окислов ниобия при температуре 1200° С, парциальное давление кислорода должно быть ниже 10в-21 МПа, а при 1600° С — ниже 10в-15 MПa (см. рис. 14,6) Достаточную глубину вакуума следует оценивать по экспериментальному определению кинетики роста газонасыщенного слоя при различном остаточном давлении в вакуумной печи.
Чистота вакуумного пространства имеет большее качение для химически активных металлов. В промышленных вакуумных печах вакуум создается пароструйными масляными насосами. Пары масла диффундируют в откачиваемый объем, при высоких температурах разлагаются, и продукты их крекинга (CO, H2, CH4 и др.) взаимодействуют с активными металлами, насыщая их углеродом. В результате взаимодействия металла с продуктами крекинга образуется тонкий хрупкий поверхностный газонасыщенный слой. Водород, образующийся при крекинге, металлы не поглощают, так как концентрации водорода в металле больше равновесной, соответствующей уравнению Сивертса при тех давлениях водорода, которые характерны для вакуумных печей.

Читайте также: