Технологические основы рафинирования

Обработка металла вакуумом влияет, как известно, на про­текание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО), при протека­нии процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных ме­таллов.

В стали практически всегда содержится определенное ко­личество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = СО_газ при обработке вакуумом сдвигается впра­во, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углеро­да.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение дав­ления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений:

Более слабые включения, такие например, как МnО или Сг₂О₃, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, таких, например, как А1₂О₃ или TiO₂, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концент­рации кислорода в металле ("окисленности" металла) при обработке вакуумом за счет реакции окисления углерода получило название «углеродное раскисление».

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в металле определяется при прочих равных усло­виях давлением водорода в газовой фазе. При снижении давления над расплавом равновесие реакции 2[Н] ó Н_2газ сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (D_H = 1,2÷1,5 • 10^-3 см/с), и в резуль­тате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Равновесие реакции 2[N] ó N_2газ при снижении давле­ния также сдвигается вправо, однако азот в металле менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на по­рядок меньше, чем водорода [D = (1÷4) * 10^-4 см/с], в

результате интенсивность очищения расплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем от водорода. Требуются бо­лее глубокий вакуум и продолжительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под ва­куумом ускоряется одновременно протекающим процессом вы­деления пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются маленькими "вакуумны­ми камерами", так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водорода и азота равны нулю. Таким образом, при обработке металла вакуумом в нем уменьшается содержание растворенных кислорода, во­дорода, азота и содержание оксидных неметаллических вклю­чений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков металл перемешивается, становится однородным, происходит "гомогенизация" расплава.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в по­вышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обра­ботке вакуумом испаряется.

Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень ин­тенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти по­тери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка металла инертными газами в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу металла пронизывают тысячи пузырь­ков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек пред­ставляет собой маленькую "вакуумную камеру", так как пар­циальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава; в тех слу­чаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация металла. Когда хотят получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, осо­бо качественную нержавеющую сталь), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции О₂ + 2[С] = 2СО_газ сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и пар­циальное давление р_со уменьшится. Масса пузырьков инерт­ного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой по­верхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагре­вается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто ис­пользуют для регулирования температуры металла в ковше. Технически операция продувки больших масс металла инерт­ными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка ваку­умом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через по­ристые пробки в днище ковша или через полый стопор, заме­няет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку ме­талла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное переме­шивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке металла инертными газами достигают:

1) энергичного перемешивания расплава, облег­чения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей;

2) усреднения состава металла;

3) уменьшения содержания газов в металле;

4) облегчения условий проте­кания реакции окисления углерода;

5) снижения температуры металла.

Перемешивание металла со специально приготовленным («синтетическим») шлаком позволяет интенсифицировать пе­реход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, ско­рость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности. Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно приготовляемого ("синтетического") шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят А1₂О₃ или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставит­ся задача очистки металла от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной по­верхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть и окис­литель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной ру­ды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдува­ют в струе аргона смесь извести и плавикового шпата. Пла­виковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в ме­талл (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, маг­ний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Ускоренная или направленная кристаллизация металла имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Скорость кристаллизации слитка про­порциональна разности температур у фронта кристаллизации и на поверхности слитка. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных ус­ловиях развиваются ликвационные и другие неприятные явле­ния. Искусственное охлаждение слитков (применяемое, на­пример, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Регулируя время пребывания металла в жидком состоянии в изложнице или кристаллизаторе и интенсивность охлаждения металла, можно обеспечить получение такого слитка, у ко­торого вообще не будет центральной менее плотной и более обогащенной ликватами зоны беспорядочно ориентированных кристаллов.

Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) поль­зуются водой.

Эти общие положения на практике реализуют в результате использования того или иного способа и агрегата из боль­шого многообразия их.