В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Процессы дегазации
Процессы дегазации - Удаление водорода при плавке в вакууме
Вакуумные установки - Вакуумные аппараты для разных техпроцессов
Оглавление
Процессы дегазации
Механизм удаления азота и водорода при плавке в вакууме
Удаление азота из металла
Удаление водорода при плавке в вакууме
Удаление кислорода при плавке никеля в вакууме
Все страницы

Удаление водорода при плавке в вакууме

Известно, что в вакуумных индукционных печах удаление водорода осуществляется весьма полно. Конечные содержания водорода, как правило, определяются давлением газа в камерах печей. В работах [50, 78] исследовали удаление водорода при плавке железа в вакуумной индукционной печи емкостью 50 кг. Авторы выдвинули гипотезу удаления водорода в зависимости от его концентрации в трех режимах.

При высоком содержании водорода образуется большое количество пузырьков газа и на поверхности пузырей происходит мо-лизация атомов водорода. В этот период скорость молизации меньше скорости диффузионного подвода атомов растворенного водорода к поверхности раздела и лимитирующим звеном процесса является скорость химической реакции: [H] + [H] = Н9(аДс) (процесс идет в кинетическом режиме).

По мере снижения содержания водорода в металле скорости процессов молизации и диффузии выравниваются; выделение водорода происходит в смешанном диффузионно-кинетическом режиме. При содержании водорода < 2 см3/100 г удаление водорода в виде пузырьков не происходит и идет лишь процесс десорбции газа с поверхности металла. При этом скорость удаления водорода определяется только диффузионным потоком.

На наш взгляд, выдвинутая гипотеза является спорной по следующим причинам. Во-первых, экспериментальные данные, приведенные в работах, в отдельных случаях имеют большой разброс. Во-вторых, не выяснена роль температуры (непонятно, почему с повышением температуры уменьшается скорость выделения водорода в диффузионном режиме). В-третьих, опытные данные, свидетельствующие о влиянии удельной поверхности и перемешивания на процесс удаления водорода, незначительно различаются (разница лежит в пределах точности анализа содержания водорода в металле).

Вызывает сомнение решающая роль химической реакции выделения водорода при высоких его содержаниях в металле. Вернее считать, что при высокой температуре стальной ванны скорости химических реакций должны иметь высокие значения, и вряд ли могут лимитировать процесс. Было проведено специальное исследование вопроса выделения водорода в вакууме [79]. Состав исследованных сплавов приведен в табл. 13.

Опытные плавки проводили в печи сопротивления в корундовых тиглях диаметром 40 мм и высотой 120 мм. Насыщение жидкого металла водородом производили путем выдержки металла под водородом при давлении водорода 40—50 мм рт. ст. в течение 20—30 мин.

Пробы металла отбирали с помощью кварцевых проб-ниц. Чтобы пробы были плотными, в пробницы помещали кусочки алюминиевой проволоки. Пробы закаливали и хранили в сосуде Дьюара с жидким азотом до производства анализов. Определение содержания водорода проводили методом вакуум-нагрева (точность метода составляла 0,15 см3/100 г, чувствительность 0,5 см3/100 г).

Необходимо отметить, что при определении содержания водорода методом вакуум-нагрева водород не полностью экстрагируется из образцов.

На рис. 38 представлено влияние температуры на удаление водорода из исследованных металлов при давлении водорода в камере печи 1 мм рт. ст. Как видно, предварительная выдержка металла под водородом позволяет насытить металл до содержания 4—5 см3/100 г. Особенно заметно влияние температуры на процесс удаления водорода в сплавах железа с хромом и железа с хромом и никелем. В этом случае повышение температуры явственно ускоряет процесс; позволяет получить более низкие содержания водорода. Напротив, удаление водорода из жидкого железа с повышением температуры замедляется и конечные концентрации получаются более высокими.

Понижение парциального давления водорода над металлом оказывает значительное влияние на характер процесса дегазации (рис. 39).

 

При понижении давления от 7 до 1 мм рт. ст. процесс газовыделения ускоряется: одновременно достигаются более низкие конечные содержания водорода, близкие к 0,5 см3/100 г. Отметим, что столь низкие содержания водорода даже для таких небольших объемов металла, как 70 см3 (500 г), достигаются через 24—28 мин. Причем, если при давлении 7 мм рт. ст. происходит первоначальное снижение концентрации водорода за 4—5 мин и в последующем оно остается без изменений, то в плавках при более низком давлении после первоначального резкого понижения содержания водорода с 4—5 до 1,5—2,0 см3 /100 г в течение последующей выдержки происходило медленное, постепенное снижение содержания водорода.

Были вычислены равновесные содержания водорода в указанных сплавах относительно исследованных давлений и температур. Расчет коэффициента активности водорода производили по уравнению

где— параметры взаимодействия легирующих элементов и водорода. В качестве параметров взаимодействия были . выбраны ей = —0,0022 [81 ] и е™ - —0,0024 [81 ].

Коэффициенты активности водорода оказались равными: в сплаве Fe — 18,5% Cr fH = 0,910, в сплаве Fe — 18,3% Cr — 11,7% Ni fH = 0,854.

Вычисление коэффициентов активности для других температур, произведенное по формуле Нельсона

показало, что изменение температуры на 50—100° С почти не влияет на значение коэффициента активности. Поэтому пренебрегли влиянием температуры на коэффициент активности водорода в исследованных металлах и сплавах. В чистых металлах коэффициент активности водорода принимали равным 1 и считали, что растворимость водорода подчиняется закону Сивертса. Расчетные и опытные значения приведены в табл. 14.

Было изучено также влияние поверхности раздела металл—газ на процесс газовыделения. Как и следовало ожидать, увеличение удельной поверхности раздела FlV с 0,162 до 0,248 1/см (т. е. на

Рис. 40. Влияние удельной поверхности раздела металл—газ при удалении водорода из сплавов Fe — 18% Cr:

1 — 0,162 1/см; 2 — 0,248 1/см

78%) приводит к более интенсивному газовыделению из хромистых и хромо-никелевых расплавов на железной основе (рис. 40). Особенно заметное влияние на ускорение газовыделения и достижение низких остаточных концентраций водорода оказывает увеличение удельной поверхности в сплавах Fe—Cr.

Без сомнения, процесс выделения водорода аналогичен процессу деазотации, т. е. должен проходить последовательно *1ерёз следующие стадии:

1) массоперенос газа в объеме металла; ,

2) диффузия через непромешиваемый слой; ;

3) адсорбция в поверхностном слое;

4) молизация атомов водорода в поверхностном слое;

5) десорбция в атмосферу;

6) отвод газа в атмосферу.

Процессы переноса газа в атмосфере и в объеме металла протекают с большими скоростями и не могут лимитировать процесс в целом.

Скорость десорбции газа с поверхности металла, как было показано выше, значительно больше экспериментальной скорости газовыделения водорода; поэтому десорбция также не является лимитирующей стадией.

Для того чтобы решить вопрос о том, что определяет процесс удаления водорода из жидкого металла при плавке в вакууме, опытные кривые, представленные на рис. 38—40, были подвергнуты графическому дифференцированию. Результаты обработки представлены на рис. 41.

Линейная зависимость скорости удаления водорода из исследованных сплавов от концентрации водорода при различных температурах свидетельствует в пользу то'го, что процесс этот определяется кинетическим уравнением первого порядка, процесс лимитируется диффузией или адсорбцией водорода. Если бы лимитирующей стадией была химическая реакция, то процесс должен был бы подчиняться уравнению второго порядка, а скорость зависела бы от квадрата концентрации водорода:

 

В соответствии с первым законом Фика для диффузии в стационарных условиях опытные данные представили в координатах:

Принимали, что концентрация водорода в поверхностном слое определяется парциальным давлением водорода в камере печи и устанавливается почти мгновенно. Из равновесной концентрации водорода в поверхностном слое расплава, рассчитанной при соответствующих температуре и давлении водорода в камере печи, вычитали 0,5 см3/100 г, что учитывает неполноту аналитического определения водорода в металле.

На результатах обработки это не должно сказаться, поскольку и содержание водорода в объеме металла., меньше фактического именно на эту величину.

.Далее считали, что концентрация водорода в объеме металла усредняется благодаря перемешиванию его при отборе пробы. Результаты обработки представлены графиками на рис. 42. Во всех исследованных случаях получены линейные зависимости

Это свидетельствует о правильности вывода о том, что при исследованных концентрациях водорода от 3—4 см3/100 г и менее процесс выделения водорода из жидкого железа, никеля, сплавов железа с хромом и железа с хромом и никелем происходит в диффузионном режиме (точнее в диффузионно-адсорбционном).

Из рис. 42 можно рассчитать и диффузионные характеристики процесса удаления водорода. Коэффициент массопереноса р, который позволяет сравнивать удаление вещества из расплава в различных условиях плавки (например, при различной садке металла), определяется из выражения константы скорости DFIbV. Вследствие отбора проб происходит некоторое изменение величины FIV. К концу плавки оно возрастало от 0,248 до 0,253 1/см. Поскольку такое изменение удельной поверхности (—2,0%) является незначительным по сравнению с другими возможными ошибками, то ими пренебрегли.

В табл. 15 представлены данные, характеризующие кинетические особенности процесса удаления водорода. Как видно из табл. 15, константы скорости дегазации с увеличением температуры возрастают. Так, для сплава Fe—Cr при повышении температуры на 100° С скорость удаления водорода возрастает в 2,5 раза, а для нержавеющей стали в 1,8 раза. Для никеля и железа не удалось установить четкого влияния температуры на константу скорости процесса.

Однако скорость удаления водорода из железа значительно превышает скорость удаления его из легированных сплавов и никеля. Если для хромистых и хромоникелевых сталей она составляет 4,1 —4,8-10~3 с"1, то для железа 9,8 -10~3 с-1.

Возможно, что большая абсолютная скорость газовыделения из жидкого железа и никеля не позволяет установить четкого влияния таких факторов, как нагрев металла, а при небольших скоростях дегазации можно уловить влияние температуры.

Для изучения влияния перемешивания на удаление водорода были проведены плавки в вакуумной индукционной печи емкостью 15 кг при давлении 1 мм рт. ст. и температуре 1500 и 1600° С. Оказалось, что в условиях электромагнитного перемешивания скорость дегазации значительно возрастает. Коэффициент массопереноса, по величине которого можно сравнивать процесс дегазации, оказался для плавок, проведенных в вакуумной индукционной печи, почти в три раза выше, чем в печи сопротивления.

Этот факт указывает на большую зависимость процесса удаления водорода из жидкого металла от перемешивания ванны, т. е. является еще одним свидетельством в пользу диффузионного механизма газовыделения. Применение индукционного перемешивания значительно уменьшает толщину диффузионного слоя б, поэтому возрастает коэффициент массопереноса, этот же факт отмечается другими исследователями при выплавке железа.

Однако, как было показано выше, понижение давления существенно сказывается на величине остаточной концентрации водорода: чем ниже давление в камере печи, тем меньше остаточная концентрация водорода. -

Для удаления азота и водорода характерно то, что с переходом от спокойного состояния металла при плавке в печи сопротивления к состоянию активного перемешивания в тигле вакуумной индукционной печи скорссть газовыделения из металла резко возрастает. Для азота, например, из сплава Fe—Cr в 2,3 раза, из сплава Fe—Cr—Ni в 1,7 раза; для водорода из сплава Fe — Cr—Ni в 3,2 раза.

Эти соотношения верны для вакуумной индукционной печи небольшого размера, в которой ванна действительно активно перемешивается. В крупных печах емкостью в сотни килограмм и более при работе на высокой частоте, например 2500 Гц, перемешивание ванны очень слабое. Поэтому при разработке схем питания новых вакуумных индукционных печей необходимо учитывать фактор активного перемешивания металла и предусматривать применение пониженной частоты переменного тока, обеспечивающей интенсивное движение металла в тигле.

Полученные нами соотношения показывают, что основное внимание должно уделяться интенсификации удаления азота —элемента, обладающего малой скоростью газовыделения из жидкого металла.

 



 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Сейчас на сайте

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