Применение газообразных раскислителей в отдельных случаях имеет преимущество перед раскислением металла углеродом. Введение в ванлу водорода и других газов не загрязняет металл и позволяет удобно регулировать процесс раскисления изменением скорости подачи газа или обработкой ванны газом.

В качестве газообразных раскислителей могут быть использованы водород, природный газ, пропан и другие углеводородсодержащие газы.

Согласно законам термодинамики применение водорода для раскисления металла в вакууме не имеет преимуществ по сравнению с использованием его в открытой плавке. На реакцию раскисления Яг (Г) + [О] = Н20(г) понижение давления не влияет и не вызывает смещения равновесия. Однако с помощью водорода удается получить значительное понижение содержания кислорода в металле.

Особенностью применения водорода в вакуумных печах является то, что после обдувки или продувки металла водородом, понижение давления обеспечивает полное удаление водорода из металла. При плавке на воздухе применение водорода для раскисления неизбежно связано с повышением концентрации водорода в металле. Однако по сравнению с раскислением углеродом такой метод раскисления требует большего времени для достижения тех же минимальных концентраций кислорода.

Водород в вакуумной индукционной плавке применяют для обдувки поверхности металла или продувки его. В первом случае

раскисление идет только с поверхности ванн и скорость этого процесса должна определяться скоростью подвода кислорода в металле к поверхности ванны. Скорость переноса кислорода в металле незначительна; поэтому процесс идет медленно.

В случае продувки металла раскисление должно происходить значительно быстрее. Как видно из рис. 16, с увеличением парциального давления водорода и с уменьшением температуры ванны скорость раскисления возрастает.

В работе [31 ] было установлено, что после наполнения корпуса печи водородом содержание кислорода особенно резко понижается в течение первых 5 мин плавки.

Применение водорода в качестве предварительного раскислителя позволило за 15—20 мин понизить содержание кислорода в сплавах на основе железа и никеля до 0,001 — 0,005%.

Использование водорода обеспечивало низкое содержание газов и неметаллических включений в чистом железе, никеле, кобальте и прецизионных сплавах. Так, в нержавеющей стали 18-8 получали 0,0055% кислорода, а в.жидком никеле 0,0006%.

При использовании водорода в качестве раскислителя необходимо принимать строгие меры по технике безопасности. Нарушение герметичности и попадание воздуха в печь может привести к образованию гремучей смеси и взрыву. Для избежания этого можно рекомендовать работать на повышенном давлении с дожиганием водорода на выходе из печи или работать при низком парциальном давлении водорода в корпусе печи, подавая в печь смесь водорода с аргоном или только водород при давлении 1—5 мм рт. ст. [33].

По другим данным, давление водорода для безопасной работы не должно превышать 40 мм рт. ст. При таком давлении в камере 500-кг печи, если и возникла течь или в печь внезапно прорывался атмосферный воздух, происходил лишь слабый взрыв, не причинявший вреда [34].

Представляет большой интерес применение углеводородсодержащих газов для раскисления в вакууме. При вдувании такого газа в металл или при обдувке поверхности ванны происходит разложение углеводородов на углерод и водород, которые активно раскисляют металл, не оставляя следов раскисления. Вместе с тем этот способ обладает преимуществами по сравнению ^применением чистого водорода меньшей взрывоопасностью и возможностью угле-

родного раскисления, которое, как мы отмечали, протекает с большей скоростью, чем раскисление водородом.

В работе [35] сделан теоретический расчет раскисления железа в вакууме метаном. Показано, что железо можно раскислить до 0,0001% кислорода.

В. Мур [36] раскислял электролитическое железо в вакуумной индукционной печи путем обдувки поверхности ванны метаном. Было получено чистое железо с содержанием углерода и кислорода 0,001—0,002%. При этом не было замечено кипения металла, что указывает на поверхностный характер протекания процесса раскисления.

Нами было исследовано раскисление железо-хромо-никелевых расплавов в вакууме пропаном (C3H8). Жидкий пропан в баллонах содержал 80,95% пропана, 9,6% бутана, 8,5% этана, 0,95% метана + азота.

При подводе газа к жидкому металлу происходит разложение пропана на графит и атомарный водород. При этом могут протекать следующие реакции:

1. Диссоциация пропана: C3H8 -> ЗС + 8Н.

2. Насыщение поверхности металла углеродом и водородом Сг — [С]; H-[H].

3. Раскисление металла углеродом [С] + [О] = СОг.

4. Раскисление металла водородом 2 [H] + [О] = Н2Ог. Опытные плавки проводили в вакуумных индукционных

печах емкостью 20 и 50 кг с основной футеровкой, изготовленной из смеси плавленой окиси магния и трехокиси алюминия.

Шихту для плавки ввакуумной индукционной печи емкостью 20 кг предварительно выплавляли в открытой индукционной печи. Содержание углерода в ней составляло <0,03%. В 50-кг печи плавки проводили на свежей шихте: железе прямого восстановления с содержанием углерода 0,005—0,008%: электролитическом хроме и никеле.

Газ подводили к поверхности металла с помощью трубки из нержавеющей стали, на конце которой был укреплен пористый огнеупорный наконечник. Металл обрабатывали либо обдувкой поверхности через одноканальную фурму, либо продувкой через пористый наконечник, погружаемый в металл на 50 мм.

Расход газа поддерживали при обдувке до 25 л/мин, а при продувке 3—10 л/мин. Увеличение расхода газа приводило к чрезмерному бурдению металла и к его всплескам из тигля.

Шихту расплавляли при давлении 1—10 мм рт. ст. После расплавления отбирали пробу металла и начинали обдувку или продувку с параллельным отбором проб. При этом отключали печь от бустерных насосов и работали только на форвакуумных, поддерживая давление в печи 0,5—1,0 мм рт. ст. Давление над зеркалом ванны было выше, чем давление в корпусе печи.

Специальные измерения давления непосредственно над зеркалом металла при помощи зонда показали, что во время обдувки со скоростью 2—25 л/мин давление над металлом составляло 0,5— 8,0 мм рт. ст.

Обдувка жидкого металла пропаном

Обдувке подвергали сплав железа с 20% Cr при температурах 1500 и 1600° С, расходе газа от 2 до 25 л/мин и расстоянии фурмы от зеркала ванны 10—150 мм. На рис. 17 показано влияние скорости подачи газа на степень раскисления металла. Степень раскисления представляли как соотношение изменения концентрации кислорода (%) и его исходного содержания. Как видно из рис. 17, увеличение скорости подачи газа с 5 до 25 л/мин увеличивает степень раскисления с 32 до 90%. При обдувке расплава со скоростью 25 л/мин и расстоянии фурмы от поверхности металла 10 мм уже через 10 мин обдувки содержание кислорода понизилось с 0,022 до 0,006%. Все кривые, приведенные на рис. 17, имеют максимум. Появление максимума объясняется тем, что параллельно с раскислением идет процесс' взаимодействия с футеровкой и насыщение металла кислородом. В точке максимума имеет место равенство скоростей раскисления и насыщения кислородом. В дальнейшем переход кислорода в металл превалирует над его удалением оттуда. Поэтому для каждого типа печей должно быть установлено оптимальное время обработки металла газом с целью достижения необходимой степени раскисления. На печи емкостью 20 кг максимальное раскисление достигалось через 15—25 мин.

На рис. 18 показано, как влияет на раскисление при обдувке расстояние от конца фурмы до зеркала металла. Удаление фурмы Q1X зеркала ванны уменьшает раскисление металла. Так, если j< 30 мин обдувки при расстоянии 80 мм содержание кислорода составило 0,02%, то при подъеме фурмы на высоту 150 мм содержание кислорода при тех же параметрах обдувки в этот момент времени равнялось 0,033%. Если в первом случае достигали степени раскисления 53%, то во втором — лишь 17,5%.

При удалении конца фурмы от зеркала ванны большая часть газа не достигает ее поверхности и откачивается насосами. При низком положении фурмы молекулы газа ударяются о поверхность

ванны и протекают процессы разложения углеводородов и раскисления металла.

Влияние температуры металла на степень его раскисления при обдувке пропаном представлено на рис. 19. Результаты опытов показывают, что понижение температуры на 100° С повышает степень раскисления, что объясняется увеличением раскислительной способности углерода, отмеченной ранее. Следует указать, что повышение температуры обработки металла газом приводит к более сильному разрушению футеровки. Поэтому для достижения низких содержаний кислорода при обдувке металла газом целесообразно проводить этот процесс при более низкой температуре.

При обдувке металла пропаном происходит науглероживание ванны. Чем выше температура, тем заметнее это происходит. И хотя в работе [36] было показано, что критической температурой, с которой начинается науглероживание железа при продувке, является 1600° С, нами было обнаружено, что уже при 1500° С и скорости подачи газа 7 л/мин к 22 мин обдувки содержание углерода в расплаве повысилось с 0,01 до 0,04%, в то время как при 1600° С к тому же моменту времени содержание углерода возросло до 0,08%. Активное науглероживание связано с наличием хромав металле, который сильно понижает активность углерода.

На изменение содержания углерода влияет скорость подачи газа и расположение фурмы. Чем больше скорость подачи газа и чем ближе фурма расположена к металлу, тем сильнее идет науглероживание (табл. 5).

В зависимости от содержания углерода в сплаве, который подвергается обработке углеводородсодержащим газом, необходимо подбирать такой режим обработки, при котором содержание углерода изменялось бы в необходимых пределах.

Обдувку пропаном, метаном или другим углеводородсодержа-щим газом можно применять и как метод науглероживания металла. Его преимущество перед науглероживанием с помощью графита, чугуна или углеродистого феррохрома состоит в том, что газом в металл не вносится никаких посторонних элементов, и можно точно регулировать содержание углерода в металле.

Обдувка пропаном может быть использована и для обработки жидкого металла при выплавке пленообразующих сплавов. Для устранения плены с поверхности жидкой ванны жаропрочных сплавов приходится повышать температуру металла, что в вакуумной индукционной печи обязательно ведет к повышению взаимодействия металла с футеровкой.

В случае использования природного газа или пропана плена может быть удалена при относительно низкой температуре металла без перегрева ванны.

Продувка металла пропаном сверху -v- :

Продувку металла пропаном производили в печи емкостью 50 кг.

На рис. 20 представлено влияние скорости подачи газа на степень раскисления металла при продувке сплава железа с 18% Cr и 12%

Ni. Увеличение скорости подачи газа благоприятно сказывается на раскисление металла. Так, например, при продувке металла со скоростью 10 л/мин в течение 45 мин содержание кислорода снижается с 0,018 до 0,001 %. При продувке со скоростью подачи газа 3 л/мин было получено содержание кислорода 0,008%.

Науглероживание при продувке значительно меньше, чем при обдувке. Так, при обработке нержавеющей стали пропаном при 1550—15800 C в течение 44 мин содержание углерода возросло с 0,012 до 0,044%. При скорости подачи газа 3 л/мин и менее науглероживание полностью отсутствует. Это позволило получить в стали 000Х18Н12, выплавленной с продувкой, содержание углерода 0,005%.

Отсутствие науглероживания металла при продувке по сравнению с обдувкой объясняется следующим образом. При обдувке струя пропана ударяется о поверхность жидкого металла, пропан разлагается и графит растворяется в металле. При продувке разложение пропана происходит частично уже в теле пористой насадки, погруженной в металл и нагретой до температуры >>900° С, где часть углерода осаживается в ее порах. Анализ показал, что после проведения опытных плавок материал фурмы содержал -1% С.

Необходимо учитывать так же и то, что при продувке мелкораспыленным газом поверхность взаимодействия жидкого металла с раскисляющими агентами значительно больше, чем в случае обдувки. В связи с этим меньшая часть углерода растворяется в металле и науглероживает его, большая часть углерода взаимодействует с кислородом и удаляется в виде СО. Сравнение эффективности обдувки и продувки по раскислению металла показывает, что при одинаковой скорости подачи газа продувка обеспечивает значительно более высокие степени удаления кислорода, чем обдувка. Так, при обдувке со скоростью 5 л/мин максимальная степень раскисления составляла 32%, при 10 л/мин 68%, а при продувке соответственно 67 и 93%.