Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных концепций процессов вакуумной отливки слитков и формирования качества металла
1. Роль геометрических параметров в формировании структуры слитков
2. Анализ эффективности процессов струйного вакуумирования стали...
2.1. Особенности взаимодействия газов с жидким металлом
2.2. Теоретические предпосылки и технологические основы вакуумирования жидкой стали
2.2.1. Термодинамика и кинетика процессов дегазации
2.2.2. Особенности механизма удаления газов из расплава в процессе вакуум-углеродного раскисления стали
2.3. Анализ технологических процессов вакуумирования жидкого металла
2.4. Влияние вакуумирования на качество металла
2.5. Анализ механизма процессов дегазации вакуумируемого металла
3. Фомирование структуры слитков и принципы управления
процессами затвердевания металла
3.1. Термодинамические основы затвердевания металлов и роль
переохлаждения в процессах кристаллизации
3.2. Влияние перегрева на величину переохлаждения металла для
обычных и инокулированых расплавов
3.3. Особенности кристаллизации и формирования структуры инокулированного металла
3.4. Влияние инокуляторов на содержание неметаллических включений в стали
Глава 2. Исследование и оптимизация параметров изготовления крупных слитков с целью повышения качества металла и уменьшения отходов при ковке 70
1.Исследование влияния параметров слитка и технологических факторов на качество металла 70
1.1. Анализ особенностей конфигурации промышленных слитков различной массы 70
1.2. Исследование и моделирование влияния технологических факторов и геометрических параметров слитков на качество металла 77
1.3. Оптимизация геометрических параметров крупных слитков с целью уменьшения осевых дефектов и получения благоприятной структуры металла 83
1.4. Анализ связи структуры слитка с механическими свойствами... 95
2. Теоретические и промышленные исследования процесса кристаллизации и качества металла слитков с изменённой геометрией донной части.. 99
2.1. Математическое моделирование процесса кристаллизации сравнительного и опытного слитков 100
2.2. Промышленное исследование строения слитка новой конфигурации 104
2.2.1. Методика исследований 105
2.2.2. Обсуждение результатов исследования 107
Глава 3. Исследование и анализ эффективности процесса струйного вакуумирования стали 125
1. Исследование влияния технологических параметров разливки на степень дегазации металла 125
1.1. Технологические особенности выплавки стали для крупных слитков 125
1.2. Технологические режимы отливки слитков в вакууме 128
1.3. Методика проведения исследований 129
1.4. Обсуждение результатов 134
2. Определение вклада струи в процесс дегазации и оценка её реакционной поверхности по данным промышленных исследований 143
3. Оценка эффективности струйного вакуумирования стали и проблемы дегазации при отливке крупных слитков 152
4. Анализ кинетики удаления газов при вакуумной разливке стали и возможности интенсификации этого процесса 156
Глава 4. Интенсификация процесса дегазации при разливке металла . 161
4 1. Анализ условий образования газовой фазы в струе 161
2. Проведение исследований на холодной модели 163
2.1. Физическое моделирование процесса струйного вакуумирования стали 163
2.2. Методика проведения лабораторных исследований 168
2.3. Определение оптимальных параметров расположения стопора при продувке струи азотом 171
2.3.1. Расчёт высоты подъёма стопора на холодной модели 171
2.3.2. Определение высоты подъёма стопора на компьютерной модели 175
2.4. Исследование процесса интенсификации дегазации струи на водном растворе СОг 179
3. Интенсификация вакуумирования металла в промышленных условиях. 189
3.1. Методика исследования 189
3.2. Отливка опытных слитков с продувкой струи аргоном 192
3.3. Распределение неметаллических включений в поковках, полученных из сравнительного и опытного слитков , 196
3.4. Анализ механических свойств металла опытных поковок 201
Глава 5. Основы управления инокулированием расплава при вакуумной отливке слитков 208
1. Исследование процесса образования инокуляторов 208
1.1. Расчёт температурных характеристик процесса разливки металла в вакууме 210
2. Математическое моделирование и основы регулирования процесса формирования инокуляторов при разливке металла в вакууме 216
3. Исследование возможности развития окислительных процессов на поверхности падающих в вакууме капель 223
3.1. Методика проведения исследований 223
3.2. Обсуждение полученных результатов и анализ состояния поверхности образующихся в вакууме инокуляторов 224
4. Расплавление инокуляторов в жидком металле 227
5. Исследование качества металла и изделий, полученных из инокулированных слитков 231
Глава 6. Особенности внепечной обработки и вакуумной разливки стали в современных и перспективных технологических процессах производства слитков, поковок и непрерывнолитых заготовок 236
1. Роль вакуумирования в современных технологических процессах производства стали 236
2. Технология производства и вакуумной обработки основных сталей 239
2.1. Анализ процессов выплавки основных сталей и формирования неметаллических включений в расплаве 239
2.2. Особенности вакуумирования основных сталей при отливке крупных слитков 242
3. Проблемы качества флокеночувствительных сталей и особенности удаления водорода при разливке нераскисл енного металла 246
4. Оценка возможностей вакуумирования основных и кислых сталей при их разливке в вакууме 250
5. Анализ поведения неметаллических включений в основной и кислой стали и их влияние на свойства 256
6. Анализ уровня механических свойств основной и кислой стали 260
6.1. Результаты промышленных исследований 260
6.2. Особенности влияния серы на свойства вакуумированных сталей 266
7. Анализ современных технологий производства крупных поковок из вакуумированного металла и перспективы развития внепечнои обработки при отливке слитков и непрерывнолитых заготовок 270
Общие выводы 285
Список литературы 289
Приложение 303
- Особенности механизма удаления газов из расплава в процессе вакуум-углеродного раскисления стали
- Исследование и моделирование влияния технологических факторов и геометрических параметров слитков на качество металла
- Определение вклада струи в процесс дегазации и оценка её реакционной поверхности по данным промышленных исследований
- Физическое моделирование процесса струйного вакуумирования стали
Введение к работе
Производство изделий ответственного назначения - роторов турбогенераторов, судовых валов, изделий атомной энергетики является важным направлением в развитии отечественного машиностроения.
Увеличение мощности тепловых и гидроэлектростанций обусловило возрастание требований к качеству поковок валов роторов турбогенераторов. Для изделий атомной энергетики необходимы корпуса реакторов, способные выдерживать мощные потоки ионизирующего излучения, что в большой степени связано с качеством получаемого металла.
Интенсивное развитие нефтедобывающих и других отраслей ставит задачу изготовления современных нефтеналивных супертанкеров, оснащённых мощными силовыми агрегатами, для эксплуатации которых требуются судовые валы весьма больших размеров и с более высоким уровнем механических и специальных свойств.
Изготовление качественных крупных поковок является до настоящего времени сложной технической задачей, что обусловлено сильным развитием ликвационных процессов, неравномерностью распределения неметаллических включений, физической неоднородностью по объёму слитка, и другими пороками, присущими процессу затвердевания больших масс металла. При этом увеличение массы слитков приводит к усилению развития дефектов. Особой актуальностью обладают научные изыскания и технологические разработки, направленные на уменьшение содержания газов в металле.
Неоднородное строение и неравномерность свойств металла крупных поковок обусловлено повышенным содержанием газов в расплаве и неблагоприятным распределением неметаллических включений по объёму слитка и поковки. Избыточная концентрация газов в жидкой стали является главной причиной снижения механических свойств в готовых изделиях за счёт образования в слитке газовой пористости, флокенов, трещин и других дефектов. Применяе-
8 мые в настоящее время методы внепечного вакуумирования позволяют существенно снизить остаточное содержание газов в металле до значений, близких к пределу их растворимости в твёрдом железе. Однако повышение требований к служебным и эксплуатационным свойствам изделий современных силовых установок выдвигает задачу получения стальных поковок с более высокими механическими характеристиками, обеспечивающими безотказную работу крупногабаритных агрегатов и систем в течение длительного времени.
Не менее важной проблемой остаётся оптимальный выбор геометрических параметров слитка, обеспечивающий минимальное развитие осевых дефектов, структурной и химической неоднородности и повышение выхода годного в поковку. Выбор той или иной конфигурации слитка в производственных условиях определяется, как правило, имеющейся мощностью прессового оборудования и сложившимися традициями.
Использование методов управления структурой слитка, в частности разливки металла с вводом инокуляторов, предполагает за счёт дозирования и подбора соответствующего химического состава железных порошков осуществлять целенаправленное воздействие на формирование макроструктуры отливаемого металла. Однако наличие окисной плёнки на поверхности вводимых порошков приводит к повышению содержания неметаллических включений и возрастанию концентрации растворённых газов, что не позволяет реализовать все очевидные преимущества суспензионного литья.
Проблему повышения долговечности и надёжности изделий ответственного назначения необходимо решать путём улучшения качества отливаемого металла и, прежде всего, за счёт повышения его чистоты.
Опыт использования струйного вакуумирования стали при отливке крупных слитков на ведущих машиностроительных комплексах - ПО «Баррикады», АО «Ижорские заводы», заводе «Энергомашспецсталь» и др. продемонстрировал высокую эффективность этого метода, однако недостаточная изученность кинетических особенностей этого процесса и неодназначность представлений о
механизме дегазации стали затрудняет поиск научных направлений и технологических решений, обеспечивающих проведение вакуумной обработки металла с наибольшей эффективностью.
Целью работы являлось: Создание технологии получения крупных стальных слитков высокого качества за счёт оптимизации геометрических параметров слитка и его формы, управления процессом дегазации и разливки металла.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
- оптимизация геометрических параметров и формы кузнечных слитков с
целью получения в осевой зоне благоприятной структуры с минимальным ко
личеством дефектов и повышения выхода годного;
-исследование качества металла слитков и поковок различной массы;
- установление кинетических закономерностей процесса дегазации при
вакуумной отливке крупных слитков;
- разработка методов управления процессом вакуумирования металла на
базе интенсификации дегазации струи потоком инертного газа;
- разработка оптимальных технологических режимов вакуумирования
слитков различной массы;
- разработка методов управления процессом затвердевания капель в ва
кууме, обеспечивающих целенаправленное, регулирующее воздействие
на формирование структуры слитка.
- оценка перспективы развития внепечного вакуумирования стали с целью
повышения качества крупных слитков и непрерывнолитых заготовок.
Поставленные цели обусловили необходимость разработки новых научно-обоснованных решений по созданию комплексной технологии производства крупных стальных слитков, обеспечивающей возможность управления процессами дегазации и кристаллизации отливаемого металла и целенаправленного воздействия на его структуру.
10 Анализ сложившихся технологических процессов, оценка по результатам проведённых промышленных исследований их преимуществ и недостатков, позволили разработать основные принципы создания комплексной технологии производства крупных слитков для поковок ответственного назначения, обеспечивающей получение металлоизделий с гарантией высокого качества и надёжности.
Разработаны и внедрены научно обоснованные технические и технологи-ческие решения, которые вносят значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и расширяют возможности производства изделий энергетического и крупного машиностроения.
Особенности механизма удаления газов из расплава в процессе вакуум-углеродного раскисления стали
Производство изделий ответственного назначения - роторов турбогенераторов, судовых валов, изделий атомной энергетики является важным направлением в развитии отечественного машиностроения.
Увеличение мощности тепловых и гидроэлектростанций обусловило возрастание требований к качеству поковок валов роторов турбогенераторов. Для изделий атомной энергетики необходимы корпуса реакторов, способные выдерживать мощные потоки ионизирующего излучения, что в большой степени связано с качеством получаемого металла.
Интенсивное развитие нефтедобывающих и других отраслей ставит задачу изготовления современных нефтеналивных супертанкеров, оснащённых мощными силовыми агрегатами, для эксплуатации которых требуются судовые валы весьма больших размеров и с более высоким уровнем механических и специальных свойств.
Изготовление качественных крупных поковок является до настоящего времени сложной технической задачей, что обусловлено сильным развитием ликвационных процессов, неравномерностью распределения неметаллических включений, физической неоднородностью по объёму слитка, и другими пороками, присущими процессу затвердевания больших масс металла. При этом увеличение массы слитков приводит к усилению развития дефектов. Особой актуальностью обладают научные изыскания и технологические разработки, направленные на уменьшение содержания газов в металле.
Неоднородное строение и неравномерность свойств металла крупных поковок обусловлено повышенным содержанием газов в расплаве и неблагоприятным распределением неметаллических включений по объёму слитка и поковки. Избыточная концентрация газов в жидкой стали является главной причиной снижения механических свойств в готовых изделиях за счёт образования в слитке газовой пористости, флокенов, трещин и других дефектов. Применяемые в настоящее время методы внепечного вакуумирования позволяют существенно снизить остаточное содержание газов в металле до значений, близких к пределу их растворимости в твёрдом железе. Однако повышение требований к служебным и эксплуатационным свойствам изделий современных силовых установок выдвигает задачу получения стальных поковок с более высокими механическими характеристиками, обеспечивающими безотказную работу крупногабаритных агрегатов и систем в течение длительного времени.
Не менее важной проблемой остаётся оптимальный выбор геометрических параметров слитка, обеспечивающий минимальное развитие осевых дефектов, структурной и химической неоднородности и повышение выхода годного в поковку. Выбор той или иной конфигурации слитка в производственных условиях определяется, как правило, имеющейся мощностью прессового оборудования и сложившимися традициями.
Использование методов управления структурой слитка, в частности разливки металла с вводом инокуляторов, предполагает за счёт дозирования и подбора соответствующего химического состава железных порошков осуществлять целенаправленное воздействие на формирование макроструктуры отливаемого металла. Однако наличие окисной плёнки на поверхности вводимых порошков приводит к повышению содержания неметаллических включений и возрастанию концентрации растворённых газов, что не позволяет реализовать все очевидные преимущества суспензионного литья.
Проблему повышения долговечности и надёжности изделий ответственного назначения необходимо решать путём улучшения качества отливаемого металла и, прежде всего, за счёт повышения его чистоты.
Опыт использования струйного вакуумирования стали при отливке крупных слитков на ведущих машиностроительных комплексах - ПО «Баррикады», АО «Ижорские заводы», заводе «Энергомашспецсталь» и др. продемонстрировал высокую эффективность этого метода, однако недостаточная изученность кинетических особенностей этого процесса и неодназначность представлений о механизме дегазации стали затрудняет поиск научных направлений и технологических решений, обеспечивающих проведение вакуумной обработки металла с наибольшей эффективностью.
Целью работы являлось: Создание технологии получения крупных стальных слитков высокого качества за счёт оптимизации геометрических параметров слитка и его формы, управления процессом дегазации и разливки металла. В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи: - оптимизация геометрических параметров и формы кузнечных слитков с целью получения в осевой зоне благоприятной структуры с минимальным ко личеством дефектов и повышения выхода годного; -исследование качества металла слитков и поковок различной массы; - установление кинетических закономерностей процесса дегазации при вакуумной отливке крупных слитков; - разработка методов управления процессом вакуумирования металла на базе интенсификации дегазации струи потоком инертного газа; - разработка оптимальных технологических режимов вакуумирования слитков различной массы; - разработка методов управления процессом затвердевания капель в ва кууме, обеспечивающих целенаправленное, регулирующее воздействие на формирование структуры слитка. - оценка перспективы развития внепечного вакуумирования стали с целью повышения качества крупных слитков и непрерывнолитых заготовок. Поставленные цели обусловили необходимость разработки новых научно-обоснованных решений по созданию комплексной технологии производства крупных стальных слитков, обеспечивающей возможность управления процессами дегазации и кристаллизации отливаемого металла и целенаправленного воздействия на его структуру. Анализ сложившихся технологических процессов, оценка по результатам проведённых промышленных исследований их преимуществ и недостатков, позволили разработать основные принципы создания комплексной технологии производства крупных слитков для поковок ответственного назначения, обеспечивающей получение металлоизделий с гарантией высокого качества и надёжности. Разработаны и внедрены научно обоснованные технические и технологи-ческие решения, которые вносят значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса и расширяют возможности производства изделий энергетического и крупного машиностроения.
Исследование и моделирование влияния технологических факторов и геометрических параметров слитков на качество металла
Однако, как показано в работе /10/, существует и другая, альтернативная модель массопереноса в жидком металле, в соответствии с которой предполагается, что турбулентное движение в жидкости происходит у самой поверхности раздела, постоянно обновляющейся потоками металла, поступающего из объёма. Эти потоки отдают в газовую фазу некоторое количество растворённого газа и вытесняются новыми потоками, за счёт чего и происходит «обновление» поверхности. В связи с этим, сторонниками этой теории /12/ полностью исключается возможность существования так называемого неподвижного пограничного слоя и вводится понятие «фактора обновления поверхности» S, который зависит от интенсивности турбулентных потоков в объёме металла. В соответствии с этой теорией коэффициент массопереноса растворённого газа определяется выражением:
Последователями этой теории /12/ была установлена пропорциональная зависимость а от D0,5 для частного случая массопереноса в цилиндрической стальной ванне при электромагнитном перемешивании. Однако других исследований, подтверждающих справедливость зависимости (1.19) и концепцию «фактора обновления поверхности», за последнее время в публикациях представлено не было.
Таким образом, в настоящее время существует мнение, поддерживаемое большинством исследователей, о том, что процессы удаления водорода и азота из жидкого железа и его сплавов, как и процессы растворения этих газов полностью контролируются скоростью их массопереноса из объёмов метала на его поверхность и решающее влияние на эти процессы оказывают величины коэффициента массопереноса а, удельной поверхности FIV и время г. Справедливость этих положений для азота подтверждается данными работ /13,14,15,16/.
С другой стороны, исследованиями /17,14/ было установлено, что в некоторых случаях процессы удаления (поглощения) азота контролируется не внутренним массопереносом, а скоростью его молизации на поверхности расплава. Исследователи объясняют это присутствием в металле поверхностно-активных веществ, в первую очередь кислорода и серы, которые блокируя поверхность расплава препятствуют свободному переходу атомов азота через межфазную поверхность. Пельке и Эллиот /17/ установили «критическое» значение растворённого кислорода (0,006 %), выше которого существенно замедляется поглощение и удаление азота из жидкого металла. Отечественными исследованиями /15/ показано, что таким «критическим» значением для чистого железа является концентрация кислорода 0,04 % при температуре 1570 С, соответствующая максимуму его адсорбции и резко замедляющая процессы массопереноса азота в объёме металла.
Поведение водорода в жидком расплаве полностью подчиняется кинетическому уравнению первого порядка, что подтверждается работами /11,10,7,9/. В работе /10/ приведены результаты производственных исследований характера изменения концентрации водорода за время дегазации на установке RH. Эти результаты представлены на рис. 1.4 в виде зависимости между Линейный характер полученной прямой, описывающей распределение экспериментальных точек, свидетельствует о том, что и на промышленных установках вакуумирования стали скорость удаления водорода контролируется массопереносом в объёме металла. Таким образом, анализ теоретических основ процесса дегазации показывает, что эффективность удаления водорода и азота из расплава определяется величиной разрежения в вакуумных установках обработки стали и в большой степени зависит от интенсивности перемешивания металла /18/. Поэтому методы внепечного вакуумирования должны в достаточной мере обеспечивать высокую степень перемешивания и турбулентности обрабатываемого расплава с целью достижения предельно низких концентраций газов в металле. Термодинамические и кинетические закономерности дегазации показывают, что лимитирующее звено процесса — массоперенос в объёме расплава растворённых газов в большой степени зависит от величины поверхности раздела двухфазной системы металл - газ. Внешняя поверхность жидкого металла в этой системе не играет большой роли, в связи с большой длительностью перемещения атомов азота и водорода к поверхностным слоям расплава. В работе /11/ приводятся расчётные данные о невозможности интенсивного развития процессов удаления газов непосредственно с поверхности вакуумируемого металла. В реальных расплавах величина межфазной поверхности металл - газ имеет довольно высокие значения за счёт образования и распределения по всему объёму ванны пузырей окиси углерода или аргона. Всплывая вверх и увеличиваясь в объёме они способствуют интенсивному перемешиванию металла и многократному возрастанию скорости дегазации. Процесс контролируется следующими основными стадиями: 1) перемещением элементарных частиц газа на относительно короткие расстояния между пузырями СО; 2) постоянным обновлением межфазной поверхности за счёт образования и роста пузырей СО или аргона в случае продувки металла инертным газом.
Определение вклада струи в процесс дегазации и оценка её реакционной поверхности по данным промышленных исследований
Технологические процессы внепечного вакуумирования основаны на термодинамических и кинетических закономерностях дегазации металла. Главным условием, обеспечивающим успешное протекание этих процессов является создание в вакуумных реакторах двухфазной системы металл - газ с развитой поверхностью и максимальной скоростью массообменных процессов.
В настоящее время существует несколько десятков методов внепечной обработки металла. По принципу действия и конструктивным особенностям их можно выделить в следующие группы: 1) методы, основанные на ковшовом вкуумировании; 2) струйное вакуумирование стали; 3) последовательное вакуумирование небольших объёмов металла; 4) вакуумирование металла в плавильном агрегате. Ковшовое вакуумирование является классическим способом, положившим начало развитию всей внепечной металлургии. В чистом виде, то есть без принудительного перемешивания эта технология применяется редко, в связи с невысокой эффективностью процесса дегазации. Исследованиями /10/ установлено, что обработка этим способом раскисленных сталей типа 30ХГСНА, 38ХНЗВА привела к снижению водорода в металле всего на 25...30 %. Полученные данные относятся к небольшим объёмам плавок 10...22 т. Для плавок большей массы этот способ мало приемлем в связи с развитием процессов дегазации только в поверхностных слоях расплава и невозможностью образования и роста пузырей СО в глубинных объёмах. Это подтверждается производственными исследованиями /25/, где показано, что при вакуумировании плавки массой 50 т раскисленной мартеновской стали 45А под слоем печного шлака содержание водорода изменялось только в верхних горизонтах расплава. При вакуумировании плавок массой 100 т подшипниковой стали концентрация водорода в металле практически оставалась постоянной.
Осуществление вакуумирования ковша с расплавом в магнитном поле индуктора приводит к существенному повышению эффективности процесса дегазации, так как в этом случае за счёт электромагнитного перемешивания процесс образования и роста пузырей СО происходит по всему объёму ванны, что обеспечивает участие в дегазации всей массы металла. Это подтверждается данными работы /10/, где после обработки на установке ЭМП подшипниковой стали массой 20 т концентрацию водорода в металле удалось снизить до 1,8 ppm, а содержание кислорода составило 0,001 %. Эти результаты свидетельствуют о достаточно высокой эффективности данного метода, несмотря на его конструктивные сложности. Современные технологии вакуумирования обеспечивают интенсивное перемешивание расплава не только за счёт воздействия электромагнитного поля, но также за счёт продувки металла аргоном через днище ковша, рис. 1.6-а (VD процесс). Используются также технологии окислительного вакуумирования расплава в ковше с верхним подводом кислородной фурмы, рис. 1.6-6.
Методы внепечной обработки второй группы основаны на принципе вакуумирования потока металла и его объёмов, накапливающихся в изложнице или ковше, установленных в вакуумной камере, рис. 1.7. Этот способ получил весьма большое распространение в мировой практике при отливке крупных кузнечных слитков за счёт эффективной дегазации металла и низких концентраций остаточного водорода в поковках. Уже первые промышленные испытания этого метода показали /26/, что концентрация водорода в слитках роторной стали снижалась в среднем на 30%, а содержание неметаллических включений уменьшалось примерно вдвое. Опытные слитки имели более плотное строение, количество осевых дефектов было минимальным. Материалы японских исследователей /27/ свидетельствуют о том, что отливка в вакууме слитков углеродистой стали массой до 90 т при рабочем давлении в камере 1,06...1,6 кПа обеспечивает снижение концентрации водорода в среднем от 3,5 ppm до 1,7 ppm. При уменьшении рабочего давления до 0,13...0,39 кПа содержание водорода составляло 0,9... 1,3 ppm .
При отливке слитков массой 400 т роторной углеродистой никельмолиб-деновой стали рабочее давление в вакуум-камере поддерживали на уровне 0,26 кПа, в результате чего содержание водорода в прибыльной части слитка составило 0,9...1,0 ppm /28/.
Таким образом, отливка слитков в вакууме является достаточно эффективным технологическим процессом, обеспечивающим получение нефлокено-чувствительных сталей.
Третью группу составляют методы, основанные на вакуумировании небольших объёмов металла. К ним относят циркуляционные способы (RH), (DH) и (RH/TOP), характеризующийся большими технологическими возможностями, рис. 1.8. В принципе эти методы можно отнести к разновидностям ковшового вакуумирования, так как речь идёт об обработке в вакууме отдельных порций металла, находящегося в ковше. В данном случае ковш играет роль накопителя обработанного металла. Существенное снижение ферростатического давления в расплаве за счёт небольшой высоты обрабатываемого объёма металла, и наличие развитой межфазной поверхности металл — газ, обеспечивают создание оптимальных условий дегазации этим методом. Это подтверждается данными промышленных исследований /29/, показывающих, что концентрация водорода в 99 % плавок, обработанных этими способами, составила 1,0... 1,5 ppm, а около 30 % плавок из этого количества имели содержание водорода в ещё более узком интервале: 1,0...1,25 ppm.
К четвёртой группе относятся методы, совмещающие процессы выплавки (разливки) и вакуумирования металла в одном технологическом цикле. Несмотря на хорошие результаты, эти методы не нашли широкого применения в промышленности в связи со сложностью применяемого оборудования и высокой себестоимостью выплавляемого металла.
Таким образом, анализ технологических процессов вакуумной обработки стали показывает, что имея конструктивные различия, все рассмотренные методы практически равнозначны, так как они обеспечивают конечную концентрацию водорода в металле в пределах: 1...2 ррт, безопасных по отношению к флокеночувствительности мартенситных сталей, снижение неметаллических включений, повышение свойств и т.д. Однако среди перечисленных методов необходимо выделить способ струйного вауумирования стали, как основной, при отливке крупных кузнечных слитков. Это объясняется тем, что при достижении результатов, характерных для других способов вакуумирования - снижение концентрации кислорода и количества неметаллических включений, улучшение пластических свойств, этим способом обеспечивается наиболее полное удаление водорода из расплава и снижение флокеночувствительности сталей.
Физическое моделирование процесса струйного вакуумирования стали
Формирование капель в объёме струи будет способствовать увеличению её реакционной поверхности. При этом чем меньше размер образующихся капель, тем на порядки возрастает площадь поверхности струи. С другой стороны, уменьшение размера капель до 1 ...2 мм (см. главу 5) приведёт к их затвердеванию уже в процессе падения, время которого составляет примерно 0,7 с и невозможности прохождения в их объёме реакции образования СО. Таким образом, исходя из капельного механизма дегазации, стремление к повышению эффективности удаления газов из расплава за счёт уменьшения размеров капель и увеличения реакционной поверхности струи вызовет обратный эффект - ускоренное затвердевание капель и торможение процесса выделения газов из струи. На основе этих представлений и делается большинство выводов о невозможности активного развития процессов дегазации в струе.
Но с другой стороны, на выходе из разливочного стакана в основании струи образуется двухфазная система металл-газ с постоянным обновлением реакционной поверхности, величина которой зависит от количества образующейся в системе газовой фазы и скорости перемешивания металла, которая в данном месте струи является наибольшей. Зарождение на порах разливочного стакана пузырей СО и их интенсивный рост при отсутствии ферростатического давления создают весьма благоприятные условия для обеспечения дегазации с поверхности струи. Торможение процесса выделения газов в отдельных, затвердевающих при падении каплях, не может оказать существенного влияния на интенсивность дегазации струи в целом.
В ряде исследований /24,10,44,45,46,47,48,49,50,51/ высокий эффект струйного вакуумирования связывается прежде всего с более благоприятными условиями процесса дегазации, обусловленными особенностями структуры струи в вакууме. Возможность активного газовыделения из струи подтверждается исследованием /52/, где сталь с концентрацией углерода 0,06 % разливали в вакууме с давлением менее 0,133 кПа. Для предотвращения реакции обезуглероживания в приёмной ёмкости вводили алюминий или кремний. Продолжительность падения струи составила 0,7 с, что соответствует реальному времени отливки слитков в вакууме. Конечная концентрация углерода в металле составила 0,02 %. В другой серии экспериментов отбирали пробы металла на начальных и конечных участках струи и количество углерода уменьшалось с 0,09 % до 0,06 %. Полученные результаты достаточно убедительно свидетельствуют о существенной роли струи в процессах дегазации металла при отливке слитков в вакууме. Высокий раскислительный эффект струйного вакуумирования был использован на заводах фирмы «Бетлехем стил», где по данным работы /10/ производятся стали, не содержащие кремния и алюминия. Проведёнными исследованиями было установлено, что во время падения струи удаляется 50 % кислорода, а в изложнице только 30%. Сталь, полученная данным способом, обладала повышенной магнитной проницаемостью, высокими пластическими свойствами и отсутствием оксидных включений. Ю. Берве и Г. Гравенхорст /45/ также считают, что значительная часть выделяющегося кислорода удаляется за время падения струи, причём, по их мнению скорость данного процесса контролируется величиной парциального давления СО, окружающей область струи. В работе /51/ в результате сравнения эффективности дегазации в ковше и в процессе перелива в вакууме хорошо раскисленной электростали было установлено, что степень удаления водорода во втором случае в 2,3 раза выше чем в первом.
Наряду с промышленными исследованиями, количественная оценка доли участия струи в процессах дегазации проводилась и в лабораторных экспериментах. Г.А. Соколов и В.Ф. Захаревич /46/, исследуя процесс дегазации струйного вакуумирования на холодной модели с водным раствором СОг, получили зависимость количества выделяющихся из струи газов от величины остаточного давления в вакуум-камере и начальной концентрации раствора. При условиях, близких к промышленным (С02исх.= 0,019 %; Р0Ст.= 1,6 кПа), степень дегазации струи по данным исследования составляла около 70 %.
Во многих работах, посвященных процессу струйного вакуумирования стали, отмечается ярко выраженная зависимость степени дегазации струи от раскисленности металла. Причём эта зависимость при достаточно высокой газонасыщенности металла может существенно снижать роль глубокого вакуума, достигаемого современными откачивающими системами. В работах /53,54/ приводятся данные о кинетике дегазации нераскисленной стали, где выделение водорода из металла начиналось уже при давлении 9,8 кПа, а при давлении 026...0,93 кПа удалялось практически 70...80 % этого газа. Исследования, проведённые фирмой «Юнайтед Стейтс» /55/ показали неоднозначность величин рабочего давления при вакуумировании раскисленной и нераскисленной алюминием сталей. Так, в первом случае для понижения концетрации водорода до 1-10-4% остаточное давление в камере должно быть на уровне 0,066 кПа. Для нераскисленной стали с тем же содержанием водорода необходимо на порядок большее давление - 0,66 кПа. Данное явление по мнению авторов объясняется большим раскрытием и дроблением струи нераскисленной стали в вакууме за счёт выделения при разливке увеличенных количеств СО.
Наиболее полно механизм процесса дегазации струи с позиций второго направления изложен в работе /24/, где кинетические особенности процесса рассмотрены в неразрывной связи с характером истечения и структурой струи в вакууме. В работе указывается на неоднородность строения струи, включающей зону с пониженной плотностью в осевых объёмах и капельную зону по периферии потока, в которую по данным экспериментов переходит 3...10 % металла от всего объёма струи. Показано, что высокая скорость газовыделения в процессе струйного вакуумирования стали обусловлена наличием в струе пено-подобной пузырьково-плёночной структуры, в которой металл распределён в виде прослоек между пузырьками газа. Это создаёт выгодные кинетические условия для процесса вакуумной дегазации металла. В работе приводятся оценочные данные по величине реакционной поверхности струи, которая состави-ла 4,05 м /кг. Если эту поверхность условно разделить между пузырьками газа, то её толщина должна составить около 0,07 мм, что свидетельствует о наличии выгодных термодинамических и кинетических условий для интенсивного развития процесса дегазации струи.
Проведённый анализ показывает отсутствие в научных публикациях системного подхода в описании механизма процесса дегазации при струйном ва-куумировании стали. Это затрудняет и осложняет разработку научно-обоснованных принципов управления процессами дегазации и разливки металла в вакууме.
