Технологія дегазації.

Дегазация расплавов металлов

Плавка в открытых печах сопровождается растворением в металле водорода и азота. Главным источником этих газов является газовая фаза печи. Азот поступает в газовую фазу с атмосферным воздухом. Водород образуется в результате диссоциации паров воды, находящейся во влажном воздухе, на поверхности шихты, а также паров воды, образующихся при сгорании топлива

С повышением температуры растворимость газов в металлах возрастает. Процесс растворения газов начинается уже в первый период расплавления шихты в результате контакта атмосферы печи с каплями и струйками металла. В этот период растворение происходит быстро вследствие большой поверхности контакта металла с газами и отсутствия сплошного шлакового покрова.

После образования сплошного слоя шлака растворение газов замедляется в большей или меньшей степени в зависимости от физико-химических свойств шлака. При плавке в открытой печи содержание азота в расплаве железа может достигать 0,04 маc. %, а водорода — 0,0025 маc. %.

Газы, растворившиеся в металле в процессе плавки, при кристаллизации отливки образуют в ней усадочные или газоусадочные раковины или поры. Поэтому дегазация расплава перед заливкой является одной из важнейших задач плавки.

В настоящее время существуют многочисленные способы дегазации расплавов металлов. Наибольшее распространение при плавке литейных сплавов получили:

• вакуумирование;

• продувка нейтральными газами;

• обработка солями, образующими газообразные продукты;

• обработка ультразвуком.

Дегазация вакуумированием. Процесс растворения газов при плавке металла стремится к равновесию, описываемому законом Сивертса. Если над поверхностью выплавленного металла создать разрежение, уменьшить парциальное давление растворенного газа, то такое изменение приведет к активизации перехода газа из расплава в газовую фазу (рис. 3, а).

Однако зарождение пузырька газа в толще металла связано с необходимостью преодолеть давление p_ме слоя металла, расположенного над зарождающимся пузырьком, давление р_атм атмосферы печи, давление р_шл слоя шлака, а также силы р_{пов.нат} поверхностного натяжения металла. Таким образом, должно выполняться условие

Зарождение пузырька так называемого «критического радиуса» в объеме чистого металла теоретически невозможно. Но реально на практике в толще жидкого металла всегда существуют поверхности раздела металла с твердыми фазами, такие как металл—футеровка, металл—неметаллические включения. Эти поверхности не смачиваются металлом, что облегчает процесс зарождения на них пузырьков газа. Этим объясняется тот факт, что образование зародышей пузырьков газов происходит именно на поверхности твердых фаз.

Тем не менее, с увеличением глубины ванны печи или ковша и увеличением толщины шлакового покрова эффективность процесса вакуумной дегазации снижается. Поэтому для больших объемов металла применяют вакуумную дегазацию струи металла при его переливе из одного ковша в другой в вакуумной камере (рис. 3, б).

Рафинирование вакуумированием применяется для стали и цветных металлов.

Дегазация стали в процессе кипения. В окислительном периоде плавки стали после окисления кремния, марганца и фосфора и разогрева ванны начинается окисление углерода

В результате выделения из толщи жидкого металла пузырьков СО происходит бурление жидкой ванны (сталь «кипит»), поэтому данный период плавки получил название «период кипения», хотя явление это кажущееся, так как температура металла далека от температуры кипения.

Установлено, что в процессе кипения из металла наряду с растворенными в нем газами удаляются твердые неметаллические включения — SiO₂ и МnО. Мельчайшие частицы этих оксидов, образовавшиеся в начале окислительного периода во всей толще ванны, создают так называемую «неметаллическую муть». Они очень медленно всплывают в шлак и, в конечном счете, ухудшают качество стали.

В то же время, наличие твердых неметаллических включений способствует зарождению пузырьков СО, а сами пузырьки газа приводят к всплытию твердых частиц в шлак. Это явление, называемое «флотацией неметаллической мути», способствует улучшению качества стали.

Одновременно с флотацией происходит дегазация стали. Суть процесса дегазации стали при кипении аналогична вакуумной дегазации, несмотря на внешнее различие этих процессов. Действительно, поверхность каждого пузырька СО в расплаве является границей раздела газообразной и жидкой фаз. Для этих контактирующих фаз выполняется уравнение Сивертса, устанавливающее равновесное соотношение концентрации газа в расплаве металла и парциального давления газа над поверхностью раздела фаз. Поскольку внутри пузырьков СО парциальные давления водорода и азота равны нулю, газы диффундируют внутрь пузырьков и, всплывая, оказываются в атмосфере печи. Таким образом, пространство внутри пузырьков СО является вакуумом для азота и водорода. На рис. 4 процесс дегазации кипением показан схематично.

Успешному протеканию процесса кипения способствуют следующие условия:

-высокая температура металла, так как движущей силой реакции является только энтропийный фактор;

-низкое содержание кремния, марганца и фосфора, имеющих большее по сравнению с углеродом сродство к кислороду при низких температурах;

-высокая концентрация углерода в расплаве.

Дегазация расплавов продувкой газами. При плавке стали образование в ней пузырьков СО, способствующих дегазации, происходит естественным образом вследствие наличия в ней углерода и

окисленности расплава. При плавке сплавов на основе алюминия, меди и других металлов самопроизвольного «кипения» не происходит. Поэтому для дегазации таких расплавов прибегают к искусственному «кипению», применяя продувку металла газами.

Суть процесса, как и при кипении, состоит в том, что внутри пузырьков продуваемого газа парциальное давление водорода и азота изначально равно нулю. Поэтому азот и водород диффундируют внутрь пузырьков продуваемого газа и всплывают на поверхность ванны.

Для продувки выбирают газы, которые имеют минимальную растворимость в выплавляемом металле. Таковыми являются газы с большим размером атомов, например аргон и хлор.

Дегазация продувкой газами сопровождается, так же, как и процесс кипения стали, рафинированием расплава от твердых неметаллических включений.

Дегазация ультразвуковой обработкой. При дегазации ультразвуковыми колебаниями торцы волноводов приводят в соприкосновение с поверхностью расплава, очищенного р_т шлака (рис. 5, а). Суть процесса в том, что под действием ультразвуковых колебаний в расплаве развиваются явления кавитации (образования полостей, пузырьков). В образующиеся при этом пустоты диффундируют растворенные в металле газы в соответствии с законом Сивертса. Метод используется при плавке алюминиевых сплавов.

Спокойное, неподвижное состояние жидкости способствует фиксации растворенных в ней газов. Наоборот, перемешивание, вибрация и другое возмущение жидкости приводит к выделению растворенных в жидкости газов. На рис. 5, б показана схема установки, предназначенной для дегазации расплавов с использованием данного явления.

Сущность всех рассмотренных способов дегазации состоит в том, чтобы создать поверхность раздела металл—газовая фаза, над которой парциальное давление растворенного газа меньше равновесного, описываемого уравнением Сивертса.