Обробка стали вакуумом в металургії впливає, як відомо, на протікання тих реакцій і процесів, в яких бере участь газова фаза.
Газова фаза утворюється, зокрема, при протіканні реакції окислення вуглецю (освіта СО), при протіканні процесів виділення розчинених в металі водню і азоту. а також процесів випаровування домішок кольорових металів.
У стали практично завжди міститься певна кількість вуглецю. Рівновага реакції [З] + [О] = Coгаз. К = Pсо / а [C] а [O] при обробці вакуумом зсувається вправо, кисень реагує з вуглецем, утворюючи окис вуглецю.
У тих випадках, коли кисень в сплаві знаходиться в складі оксидних неметалічних включень. зниження тиску над розплавом призводить в результаті взаємодії з вуглецем до часткового або повного руйнування цих включень:
Більш слабкі включення, такі наприклад, як MnO або Cr2 O3. відновлюються майже без остачі; для відновлення більш міцних включень, таких, наприклад, як Al2 O3 або TiO2. потрібно дуже глибокий вакуум. Зниження концентрації кисню в сплаві ( "окисленности" металу) при обробці вакуумом за рахунок реакції окислення вуглецю отримало назву "вуглецеве розкислення стали".
Рівновага реакції 2 [N] = N2газ при зниженні тиску також зсувається вправо, однак азот в стали менш рухливий, коефіцієнт дифузії його в рідкому залозі на порядок менше, ніж водню [D = (1 * 4) • 10 -4 см / с] , в результаті інтенсивність очищення сплаву від азоту під вакуумом значно нижче, ніж від водню. Потрібні більш глибокий вакуум і тривала витримка, щоб досягти помітного очищення металу від азоту.
Крім того, в тих випадках, коли сталь містить в підвищених концентраціях домішки кольорових металів (свинцю, сурми, олова, цинку та ін.), Помітна частина їх при обробці вакуумом випаровується.
Необхідно мати на увазі, що при обробці вакуумом випаровується також і залізо і корисні домішки (дуже інтенсивно, наприклад, випаровується марганець). Однак ці втрати стають відчутними лише при дуже глибокому вакуумі і дуже тривалої витримки.
Продування стали інертними газами
Такий вид рафінування сталі як продування металу інертними газами певною мірою впливає на якість готової металопродукції так само, як обробка вакуумом. Під час продування інертними газами масу стали пронизують тисячі бульбашок інертного газу (зазвичай аргону). Кожен бульбашка являє собою маленьку "вакуумну камеру", так як парціальні тиску водню і азоту в такому бульбашці дорівнюють нулю. Під час продування інертним газом відбувається іненсівное перемішування сплаву, усереднення його складу; в тих випадках, коли на поверхні металу наведений хороший шлак, перемішування полегшує протікання процесу асиміляції таким шлаком неметалічних включень; якщо цей шлак має високу основність (а також малу окисленность) відбувається і десульфурация стали.
Необхідно мати на увазі, що продування стали інертним газом супроводжується зниженням температури сплаву (газ нагрівається і інтенсивно забирає тепло), тому її часто використовують для регулювання температури металу в ковші.
Технічно операція продувки великих мас металу інертними газами в ковші простіше і дешевше, ніж обробка стали вакуумом, тому там, де це можливо, тривала за часом продування інертними газами, що проводиться через пористі пробки в днище ковша або через порожнистий стопор, замінює обробку вакуумом. У багатьох випадках продування стали інертним газом проводять одночасно з обробкою вакуумом, так як викликається продувкою енергійне перемішування металу прискорює процеси вакуумування, робить вакуумирование більш ефективним. В якості інертного газу найчастіше використовують аргон. Коли це можливо, при виробництві стали простих марок для металопродукції звичайної якості, невисоких температурах, аргон заміняють дешевшими газами (азотом або навіть парою).
Таким чином під час продування стали інертними газами досягають:
- енергійного перемішування сплаву, полегшення перебігу процесів видалення в шлак небажаних домішок;
- усереднення складу металу;
- зменшення вмісту газів в сталі;
- полегшення умов протікання реакції окислення вуглецю;
- зниження температури металу.
Перемішування стали синтетичним шлаком в металургії
Перемішування сталі зі спеціально приготованим ( "синтетичним") шлаком також є способом рафінування сталі і дозволяє інтенсифікувати перехід в шлак тих шкідливих домішок, які видаляються в шлакову фазу: сірки, фосфору, кисню (у вигляді оксидних неметалічних включень). У тих випадках, коли основна роль у видаленні домішки належить шлаковой фазі, швидкість процесу пропорційна величині площі міжфазної поверхні.
Зазвичай спосіб обробки стали синтетичним шлаком використовують насамперед для видалення сірки. тому основою штучно синтетичного шлаку є СаО; для зниження температури плавлення до складу шлакової суміші вводять Al2 О3 або інші добавки. Оскільки в такому шлаку практично немає оксидів заліза, він є одночасно хорошим розкислювачем. Якщо ставиться завдання очищення сплаву від неметалевих включень певного складу, то відповідно підбирають склад синтетичного шлаку. У всіх випадках завдання полягає, по-перше, в отриманні шлаку потрібного складу і, по-друге, в розробці способу отримання максимальної поверхні контакту шлаковой і металевої фаз.
Продування стали порошкоподібними матеріалами в металургії
Таке рафінування сплаву як вдування в сталь порошкоподібних матеріалів також має на меті забезпечити максимальний контакт вдихається твердих реагентів з металом. Разом з тим позитивна сторона методу полягає в тому, що реагент в сталь вдувається струменем газу-носія, який сам певним чином впливає на сталь. Газомносітелем може бути і окислювач (наприклад, кисень або повітря), і відновник (наприклад, природний газ), і нейтральний газ (наприклад, аргон). Для видалення фосфору в струмені кисню в сталь вдувають тверду суміш, що складається з вапна, залізної руди і плавиковогошпату, для видалення сірки в метал вдувають в струмені аргону суміш вапна і плавикового шпату.
Плавиковий шпат вводиться до складу сумішей для підвищення жидкотекучести шлаку. Цим способом можна вдувати в сталь (в струмені нейтрального або відновного газу) такі сильнодіючі реагенти, які через високих енергій взаємодії і відповідного піроефект звичайними способами вводити в сталь не можна (кальцій, магній) або через їх шкідливого впливу на здоров'я небезпечно ( свинець, селен, телур).
Прискорена або спрямована кристалізація сплаву має на меті поліпшити структуру злитка, ліквідувати або зменшити ликвацию, центральну рихлість і пористість і тому подібні вади. Швидкість кристалізації злитка стали пропорційна різниці температур у фронту кристалізації і на поверхні злитка. Чим більше маса злитка, тим повільніше він кристалізується і тим сильніше в звичайних умовах розвиваються ліквационноє і інші неприємні явища.
Штучне охолодження злитків стали (застосовується, наприклад, при безперервного розливання сталі) прискорює процес кристалізації і позитивно впливає на якість злитка. Регулюючи час перебування металу в рідкому стані в виливниці або кристаллизаторе і інтенсивність охолодження металу, можна забезпечити отримання такого злитка, у якого взагалі не буде центральною менш щільною і більш збагаченої лікватамі зони безладно орієнтованих кристалів.
Зазвичай для інтенсивного охолодження поверхні злитка (безпосередньо або через стінки кристалізатора) користуються водою.
Ці загальні положення рафінування сталі на практиці реалізують в результаті використання того чи іншого способу та агрегату з великого різноманіття методів підвищення якості виплавлюваних сталей і кінцевої металопродукції (сталевих профілів, куточків, листів та інших видів металопрокату).