В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Десульфурация в вакууме
Вакуумные установки - Вакуумные аппараты для разных техпроцессов
Как известно, присутствие серы в готовом металле нежелательно. Наряду с другими примесями-газами, цветными металлами сера является причиной образования дефектов в изделиях, причиной понижения механических, электротехнических и иных специальных-свойств. Удаление из металла серы и сульфидных или оксисульфидных включений наряду с рафинированием металла от кислорода и окисных неметаллических включений является задачей первостепенной важности.

Поведение серы при плавке в открытых печах исследовано с достаточной полнотой. Разработаны и методы успешного рафинирования сталей и сплавов от серы. В числе наиболее эффективных внедренных в последнее время методов является применение синтетических шлаков для обработки готовой стали после выпуска ее из печи.

При плавке в вакууме без основного шлака удаление серы происходит значительно менее интенсивно, а в ряде случаев вообще не удается установить заметного изменения ее содержания. Поэтому до настоящего времени почти единственным способом получения металла с низким содержанием серы было применение чистой по сере исходной шихты.

При плавке в вакууме переход серы из металла в газовую фазу может происходить в результате испарения. Однако испарение серы из чистого железа происходит очень медленно и для заметного понижения содержания серы путем простой выдержки в вакууме требуется значительная длительность выдержки и низкое давление атмосферы.

Например, в исследованиях В. Фишера было показано, что для существенного снижения содержания серы в низкоуглеродистом металле необходимо проводить плавку при давлении 10~5 мм рт. ст. в течение нескольких часов (рис. 58).

 
 
 

 


Удаление серы из расплавов, как и испарение других примесей, будет определяться, во-первых, упругостью пара серы над расплавом, т. е. формой связи атомов серы в расплаве и влиянием состава расплава на давление пара серы над расплавом. Во-вторых, этот процесс будет зависеть от формы соединений, в которых испаряется сера, в-третьих, от кинетических условий плавки: гемпературы, давления над металлом, поверхности раздела, перемешивания.

На константу скорости испарения серы влияют элементы, иземняющие ее активность в металле. Известно, что кремний и углерод повышают активность серы, поэтому должна возрастать и константа скорости испарения серы.

На рис. 59 видно, что добавление в железо 1,3% С или 1% Si резко увеличивает скорость удаления серы в вакуумной индукционной печи [106]. Если бы удаление серы лимитировалось диффузией, то очевидно, что ни углерод, ни сера не смогли столь значительно влиять на транспортировку серы в металле к испаряющей поверхности. Особенно это наглядно видно на примере углерода, который уменьшает коэффициент диффузии серы в железе и в то же время повышает константу скорости удаления серы.

Поскольку сера является поверхностно активным элементом, то ускорение десульфурации в присутствии углерода или кремния можно объяснить образованием активированных комплексов на поверхности жидкого металла.

Десульфурация в вакуумных плавках среднеуглеродистого и низкоуглеродистого железа с 0,035 и 0,41% С. принципиально отличается от десульфурации в плавках при атмосферном давлении. Если в плавке, проведенной при атмосферном давлении, концентрация серы понижается медленно или остается почти неизменной, то в плавках, проведенных в вакууме, уже в течение первых десяти минут выдержки металла со шлаком достигали чрезвычайно высоких степеней десульфурации 80—90% , а содержание серы уменьшалось с 0,12—0,09 до 0,01—0,02%.

Различное влияние изменения давления в печи на характер протекания процесса десульфурации стали с высоким и низким содержанием углерода связано с различной степенью влияния изменения давления на содержание закиси железа в шлаке.

На рис. 65 приведена зависимость содержания закиси железа в шлаках от содержания углерода в металле. Расположение экспериментальных точек на рис. 65 показывает, что при содержании углерода в металле >1% шлаки характеризуются низким содержанием закиси железа. Давление в печи при этом не оказывает заметного влияния на окисленность шлака. При содержании углерода 0,4% и менее содержание закиси железа ниже в шлаках из вакуумных плавок, а в плавках, проведенных при атмосферном давлении, содержание закиси железа высокое.

Эти результаты находятся в полном соответствии с принятым воззрением на влияние закиси железа в шлаке на полноту реакции десульфурации и подтверждают соотношение (41).

Из опытных данных можно заключить, что указываемое уравнением (42) влияние вакуума на повышение десульфурирующей способности шлаков в случае павки среднеуглеродистого и низкоуглеродистого железа проявляется значительно сильнее, чем при высоких содержаниях углерода в металлической ванне. Отметим, что высокие содержания углерода обусловливают значительное*-повышение активности серы в металле, поэтому влияние ъыплавки в вакууме по сравнению с плавкой на воздухе будет иметь не столь явно выраженный характер. При выдержке металла на воздухе, а не в атмосфере азота, происходит окисление шлака и металла, выгорание углерода. Десульфурация будет проходить значительно медленнее по сравнению с плавкой в атмосфере азота, что было показано в работе [117].

Для высокоуглеродистого металла применение шлака в вакуумной плавке, по сравнению с плавкой на воздухе, должно давать значительный эффект по рафинированию металла от серы.

Четкая зависимость полноты протекания реакции десульфурации низкоуглеродистого металла от содержания закиси железа в шлаках выявляется при рассмотрении экспериментальных данных рис. 66, из которого видно, что более низким содержанием

закиси железа в шлаках соответствуют и"более низкие концентрации серы в металлической ванне. Наиболее высокие содержания серы в металле и закиси железа в шлаке отвечают плавкам, проведенным при атмосферном давлении в камере печи. Минимальное содержание закиси железа в шлаках при вакуумной плавке низкоуглеродистой стали оказалось равным 1,22—1,86%. Несмотря на такую повышенную концентрацию закиси железа, были получены высокие степени рафинирования металла от серы.

Высокая степень десульфурации в вакуумных плавках достигается быстро, не требуется длительной выдержки металла в вакууме со шлаком.

Методика введения шлакообразующих на дно тигля перед загрузкой шихты обеспечивала эффективную десульфурацию металла еще в период его расплавления при максимальной поверхности раздела металл—шлак и минимальном содержании закиси железа в шлаке.

Несмотря на достоинства синтетического шлака, обеспечивавшие хорошее удаление серы, применение синтетического шлака в производственных условиях затруднено: нужно предварительно сплавлять синтетические шлаки в специальном агрегате и размалывать их. К тому же эти шлаки образуют прочные настыли на стенках тигля. В дальнейшем отказались от синтетических шлаковых смесей и применяли смесь твердых десульфурирующих шлаковых реагентов: обожженной извести, плавикового шпата, кварцевого песка.

В качестве металлической шихты использовали заводские отходы шарикоподшипниковой и нержавеющей стали и специально выплавленную в открытой индукционной печи заготовку нержавеющей стали с высоким содержанием серы.

Глубокая десульфурация металла твердыми реагентами может быть объяснена следующими соображениями. Во-первых, значительно более высоким содержанием извести (до 80—100%) в шлаковой смеси. Во-вторых, контактная поверхность твердых десульфураторов значительно превышает поверхность раздела жидкий шлак—металл. В-третьих, частицы тугоплавкой смеси на дне тигля нагреты до температуры металла, что, как известно, имеет большое значение для процесса десульфурации. Жидкий или твердый шлак на зеркале ванны в индукционной печи — холодный, поэтому скорость и полнота десульфурации в последнем случае будут хуже, чем при использовании смеси извести с плавиковым шпатом.

Отсутствие десульфурации при использовании шлака типа АНФ-6 (70% шпата и 30% глинозема) показывает, что плавиковый шпат, являющийся основой этого флюса, представляет собой слабый десульфуратор. Это показано было и в работе [118]. Указывается, что для смещения равновесия реакции десульфурации под шлаками на основе шпата в сторону рафинирования металла от серы в металлической фазе должны образовываться растворы фтора с малой активностью фтора в металле и растворы серы в шлаковой фазе с малой активностью серы. Но растворимость фтора в железе незначительна, а для того, чтобы сера переходила из металла в шлак, должен происходить обратный переход ионов фтора в металл, кроме того, CaS плохо растворим в CaF2.

Значительно большая термодинамическая устойчивость CaF2 по сравнению с CaS при высокой активности фтора и серы в металле и шлаке вследствие их малой растворимости в этих фазах не позволяют рассматривать CaF2 в качестве десульфурирующего агента.

В случае применения этого же шлака (АНФ-6) в электрошлаковой печи более заметной десульфурации металла способствует высокая температура шлака, обусловливающая разложение CaF2 с образованием CaO, которая необходима для десульфурации. В индукционной плавке шлак нагревается слабее и процесс образования CaO не получает должного развития.

Однако небольшие добавки фтористого кальция к извести усиливают десульфурирующее воздействие шлаковой смеси на металл. Это можно объяснить повышением реакционной способности поверхностных слоев извести, непосредственно контактирующих с жидким металлом. Увеличение же добавок плавикового шпата до 20% снижает эффект десульфурации вследствие уменьшения содержания свободной извести.

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 195 гостей на сайте
=
Рейтинг@Mail.ru