книги из ГПНТБ / Линчевский Б.В. Применение вакуума в производстве стали

Б/В. ЛИНЧЕВСКИЙ, А. А. ВЕРТМАН

3* Ш 3 ■ г. ,'** ’

ПРИМЕНЕНИЕ ВАКУУМА

В ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО

ЛИТЕРАТУРЫ ПО ЧЕРНОЙ И ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Москва 1960

От редактора

Вакуумная металлургия стали, сплавов и цветных металлов в Советском Союзе с каждым годом завоевывает все более проч­ ное место среди других металлургических процессов.

Решениями XXI съезда КПСС по дбкладу товарища Н. С. Хрущева о контрольных цифрах развития народного хо­ зяйства СССР на 1959—1965 годы намечается организовать ши­ рокое использование вакуума в металлургии для повышения качества продукции.

Для современной техники характерны высокие давления, температуры и скорости, что предъявляет все более высокие требования к металлам в отношении чистоты по содержанию вредных и избыточных элементов, неметаллических (шлаковых) включений и газов (кислорода, водорода, азота), однородности макро- и микростроения и механических свойств по всему объ­ ему металла в различных направлениях. Требуется и наличие особых специальных свойств сплавов: длительная прочность при переменных нагрузках, жаропрочность и высокая стойкость в агрессивных средах.

Указанные требования в основном удовлетворяются путем выбора надлежащих составов тех или иных сплавов, выплавкой их в обычных открытых индукционных печах с применением различных раскислителей и последующей обработкой. Но, как показала практика последних лет, наилучшие свойства могут быть достигнуты только путем выплавки сплавов в вакуумных индукционных печах. Применение же переплава готовых спла­ вов в вакуумных дуговых печах обещает дальнейшее повышение качества металла.

Другой разновидностью применения вакуума в металлургии является вакуумная обработка жидкой стали в ковше и в из­ ложнице (для крупных слитков). Опыт заводов «Днепроспецсталь», им. Дзержинского, «Серп и молот», Уралмашзавода и др. показал, что при этом значительно улучшаются свойства трансформаторного железа, железа армко, бессемеровского рельсового металла, а кипящая сталь по макроструктуре слитка и степени его неоднородности становится равной спокойной ста­ ли.

3

Перспективно применение вакуума при производстве особо чистых металлов и безуглеродистых ферросплавов, используе­ мых для легирования стали.

Следует признать, что уровень популяризации вакуумной металлургии в настоящее время не соответствует ее возросшему значению в народном хозяйстве. Настоящая книга Б. В. Линчевского и А. А. Бертмана несколько восполняет этот пробел. В ней даются основные сведения о конструкциях вакуумных индукци­ онных и дуговых печей и камер для дегазации стали в ковшах и в изложницах, описывается насосное хозяйство, контрольно-из­ мерительная аппаратура и вспомогательное оборудование. При­ ведены данные о влиянии вакуума на свойства стали и сплавов и в доступной форме освещена теоретическая сторона процесса вакуумирования.

Докт. техн, наук проф. А. Е. ХЛЕБНИКОВ

4

ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ

Цель применения вакуума при выплавке стали заключается в получении металла с высокими механическими, электротехниче­ скими, антикоррозионными и другими свойствами. Высокое ка­ чество металла в значительной мере определяется минимальным содержанием неметаллических включений, газов, серы и фосфо­ ра и в некоторых случаях углерода.

Важнейшая реакция, протекающая в жидкой металлической ванне, — взаимодействие углерода с растворенным в металле кислородом. В процессе обезуглероживания удаляются не только кислород и углерод, но также водород, азот, неметалли­ ческие включения. Особое значение приобретает реакция обезуглероживания при плавке в вакууме, так как продуктами реакции обезуглероживания являются газообразные окислы, создание разрежения над металлом благоприятствует их обра­ зованию, в связи с чем реакция окисления углерода протекает с большей полнотой.

В общем виде реакцию обезуглероживания можно записать следующим образом:

[С] + х [О] = СС\.

Согласно правилу фаз, эта система может находиться в рав­ новесии при разных давлениях. Константа реакции равна

кРс°х

«с ■[0О]х

где «с и ао — соответственно активность углерода и кислорода. При содержании углерода до 1% константа выражается форму­ лой

кРс°х

С[%CJ-[%OJ

Так как при данной температуре константа равновесия яв­ ляется постоянной величиной, то отсюда следует, что в вакууме можно добиться проведения глубокого раскисления углеродом.

о

Однако данное положение, вероятно, имеет значение только для поверхностных слоев металла. В толще металла величина Рсо

в зоне образования газовых пузырей отличается от величины Рсо , определяемой общим давлением над металлом. Давле­

ние в образующемся пузырьке окиси углерода равно сумме ат­ мосферного давления, ферростатического и давления поверхно­ стного натяжения. Давление в пузыре Рп равно:

Pa = Pa+4h + -^- ,

где Ра — атмосферное давление; 7 — плотность металла;

h — высота столба жидкого металла над пузырем; ст—поверхностное натяжение; г — радиус образующегося пузыря.

Если принять, что у = 7 г/см3, ч = 1000 дн/см, то для железа

Рп ~ + 0,515 h 4—При давлении менее 1 мм рт. ст. мо­

жно пренебречь величиной Ра; предположив, что образование пузыря в вакууме происходит под самой поверхностью металла,

Таким образом, раскислительная способность углерода зави­ сит не только от разрежения над металлом. До последнего вре­ мени считали, что максимальное обезуглероживание достигается при наиболее глубоком разрежении, и при этом исходили толь­ ко из влияния давления на протекание реакции окисления угле­ рода в металле. Очевидно, что при плавке в вакууме изменяют­ ся условия зарождения газовых пузырей и понижение давления косвенно влияет на обезуглероживание.

При выплавке металла в индукционных печах жидкая метал­ лическая ванна взаимодействует с футеровкой тигля, в частно­ сти, как показали опыты, при плавке в вакуумных печах хроми­ стых и хромоникелевых нержавеющих сталей, несмотря на снижение содержания углерода, концентрация кислорода к кон­ цу плавки непрерывно увеличивается и может достигнуть преде­ ла растворимости кислорода в этих сталях.

При плавке в тигле из окиси магния углерод взаимодейству­ ет с окисью магния с образованием газообразной окиси углеро­ да и металлического магния. Оба эти продукта покидают систе­ му, и поэтому реакция развивается в сторону образования оки­ си углерода. Таким образом, в данном случае обезуглерожива­ ние металла происходит за счет кислорода футеровки. С другой

6

стороны, очевидно, и другие компоненты металла взаимодей­ ствуют с футеровкой с образованием нелетучих окислов, перехо­ дящих в расплав, из-за чего и повышается концентрация кисло­

рода в металле.

Рассмотрим некоторые реакции взаимодействия металла с футеровкой. При выплавке металла, содержащего 0,3% А1, в магнезитовом тигле может протекать реакция:

MgOT + 2/з [А1] = 1/3 А12О3(т) + Mg(r);

/< = Рме.. . = 0.68.

'*[«All-

При 1600° и ам =0.003%, PMg = 10,7 мм рт. ст.

Следовательно, при снижении давления ниже 10 мм рт. ст. магний будет активно восстанавливаться из футеровки.

Цирконий переходит в металл при более низком давлении:

2С + ZrO2 = Zr + 2СО;

К = ~^Г~ •

К16оо = 3 • 10-6 •

При разрежении в печи 1 мм рт. ст. или 1,3 • 10-3 ата и содержа­ нии углерода 0,05%

3 ■ 10-6 ■ 0,0025

ность циркония его весовой концентрации). При более низких разрежениях значительные количества циркония могут перехо­ дить в металл 121. Как видно из рис. 1, при 1600° взаимодей­

ствие углерода с SiO2 возможно уже при Рс0, равном 1 ата, с MgO и А12О3 при Рс0 менее 10-2 и только с ThO2 — при дав­

лении 10-6 ата. Следует отметить, что окислы, входящие в состав футеровки, восстанавливаются не путем термической диссоциа­ ции, а в результате реакции с углеродом.

При рассмотрении вопросов, связанных с контактом жид­ кого металла с футеровкой тиглей, необходимо обратить вни­ мание на чисто физические свойства поверхности тигля, которые зачастую могут иметь преобладающее значение по сравнению с термодинамическими условиями взаимодействия металла с ке­ рамикой. Есть основания считать, что для плавки в вакуумных индукционных печах необходимы тигли с гладкой поверхностью. Такая поверхность может быть получена либо спеканием тигля

7

вокруг графитового шаблона, нагреваемого до весьма высокой температуры, что вызывает оплавление внутренней поверхности тигля, либо в литых тиглях.

Прессованные тигли с шероховатой поверхностью по сравне­ нию с литыми обладают более высокой термостойкостью, но они сильнее взаимодействуют с расплавами, так как обладают большей пористостью.

Рис. 1. Изменение свободной энергии некоторых окислов в зависи­ мости от температуры и давления [3]

Жидкие сплавы, обладающие в вакууме повышенной жидко­ текучестью, заполняют поры в стенках тигля и вызывают эро­ зионное разрушение тигля, при этом мелкие кусочки футеровки попадают в жидкий металл, и содержание кислорода в нем воз­ растает.

При плавке в литых тиглях концентрация кислорода значи­ тельно снижается, несмотря на то что металл химически взаи­ модействует со стенками литого тигля. Однако количество кис­ лорода, поступающего в ванну в результате такого взаимодей­ ствия, значительно меньше количества кислорода, удаляемого в результате взаимодействия с углеродом.

8