Принципиально действие металлических раскислителей, не образующих газообразных продуктов, в условиях вакуумной плавки не должно отличаться от поведения их в открытой плавке. Однако при наличии углерода в металле снижается эффективность воздействия слабых раскислителей на растворенный кислород, а отсутствие окислительной атмосферы и шлака должно усиливать воздействие сильных раскислителей.

При раскислении в вакууме количество присаживаемых металлических раскислителей может быть сокращено по сравнению с количеством раскислителей, употребляемых в условиях обычной открытой плавки, так как вводимые элементы не окисляются ни шлаком, ни окислительной атмосферой.

Образующиеся в результате реакции раскисления неметаллические окисные продукты, твердые или жидкие, всплывают и удаляются из металла.

Уменьшение внешнего давления не должно влиять на раскислительную способность марганца, кремния, алюминия, церия и др., поскольку продукты раскисления этими элементами нелетучи. Исключение составляют лишь летучие субокислы металлов.

В работах [38, 39] было исследовано раскисление железоуглеродистых и железохромистых сплавов (табл. 6) марганцем, кремнием, алюминием, мишметаллом (50% Ce), сплавом AMC (20% Al, 60% Mn; 20% Si) и алюминием совместно с мишметаллом.

Плавки проводили в 10-кг вакуумной индукционной печи в тигле из плавленой окиси магния. Раскислитель присаживали в металл после расплавления и успокоения ванны, давление понижали до 10~2—10"3 мм рт. ст.; устанавливали температуру металла в пределах 1550—15800 C для железоуглеродистых сплавов и 1590— 1620° С для железохромистых расплавов, затем выдерживали металл под вакуумом и производили отбор проб.

По результатам опытных плавок были построены кинетические кривые удаления кислорода из расплавов при введении различных раскислителей.

Рис. 21 и 22 иллюстрируют ход раскисления железа и железохромистых расплавов марганцем и кремнием. Стрелками показан момент введения раскислителя в металл. Как видно из-рис. 21, 22, момент присадки марганца или кремния не изменяет монотонного характера кривой содержания кислорода.

Присадка более сильных раскислителей, таких как алюминий (рис. 23), AMC (рис. 24), церий или церий совместно с алюминием (рис. 25), отражается на характере кинетических кривых. После присадки раскислителя содержание кислорода резко уменьшается. В этом случае введение раскислителя оказывает заметное влияние на поведение кислорода в расплаве. Сравнение кривых рафиниро-

вания от кислорода железа и сплавов железо—хром показывает, что в железе содержание кислорода всегда ниже, чем в сплавах железо—хром. Наиболее низкие содержания кислорода получены для железа с 0,32—1,04% С. Более высокое содержание кислорода в сплавах железа с хромом объясняется снижением активности углерода и кислорода благодаря присутствию хрома.

Для оценки возможностей различных раскислителей в вакууме методом Вагнера—Чипмана были рассчитаны равновесные содержания кислорода в растворах данной концентрации относительно содержаний элементов раскислителей, аналитически определенных в пробах металла.

В табл. 7 представлены рассчитанные равновесные значения кислорода для различных сплавов. На рис. 21—25 эти значения нанесены пунктирными линиями. Кроме того, нанесены некоторые результаты непосредственного определения растворимости кислорода в подобных расплавах, по данным В. В. Аверина.

Рассмотрим результаты применения различных раскислителей. Марганец. При раскислении марганцем содержание кислорода в металле понижается в течение первых десяти минут, достигает минимального значения и затем начинает возрастать. Присадки марганца в разных количествах (от 0,35—0,37 до 0,78—1,09%) не влияют на изменение концентрации кислорода. Не удалось также установить разницы в изменении содержания кислорода на плавках стали с 10 до 20% Cr.

По данным работы [40], равновесное содержание кислорода в расплавах хромоникелевой стали типа 18—8 при концентрации 0,3% Mn составляло 0,04%, при 1,0% Mn 0,035%. Расчеты показывают высокие значения растворимости кислорода, превышающие концентрации кислорода, полученные в данном исследовании. Отсюда следует, что остаточная концентрация кислорода в металле зависит от содержания не марганца, а углерода, даже если оно и составляло 0,04—0,06%. Повышение же содержания кислорода по ходу плавки объясняется активным взаимодействием металла с тиглем и снижением защитной роли углерода по мере его выгорания.

Кремний. Рассматривая рис. 22, можно отметить, что опытные значения лежат значительно ниже равновесных, а ход кривой раскисления не изменяется в момент присадки кремния. Это справедливо для железа и для железо-хромистых расплавов. И в этом случае раскислительная способность углерода выше раскислитель-ной'способности кремния, поэтому введение кремния в металл под вакуумом не отражается на содержании кислорода.

Алюминий и сплав AMC При раскислении металла алюминием (см. рис. 23) после его присадки происходит заметное понижение содержания кислорода. Сравнение равновесных значений с опытными показывает хорошее совпадение, хотя опытные данные располагаются несколько выше равновесных в расплавах железа с 10 и 20% Cr. Введение алюминия обеспечивает заметное раскисление металла. Алюминий, а не углерод, является причиной снижения концентрации кислорода. Такой же точки зрения придерживаются и авторы работы [24], установившие слабое восстановление включений Al2O3 углеродом в вакууме в особенности при низких содержаниях углерода.

На рис. 24 показаны результаты опытов с использованием сплава AMC Раскислитель вводили в металл из расчета получения в стали 0,08 и 0,15% Al. Особенно заметный эффект получен при раскислении сплава с 10% Cr. Сравнение с результатами раскисления металла только алюминием показывает почти одинаковое снижение содержания кислорода после введения раскислителя. Это свидетельствует о том, что при использовании сплава AMC основное воздействие на кислород оказывает алюминий, равновесные теоретические данные также согласуются с результатами опытов.

Церий. На рис. 25 представлены результаты по совместному раскислению металла церием и алюминием. В пробах установлены содержания церия 0,15%, алюминия от 0,03 до 0,11 %. После присадки раскислителей содержание кислорода резко снижается с 0,01 до 0,002—0,004%. Считая, что содержание кислорода в расплаве определяется концентрацией элемента с большим сродством к кислороду, рассчитывали равновесные содержания кислорода по отношению к церию. Как видно из рис. 25, равновесные концентрации кислорода значительно ниже опытных значений. Использование церия совместно с алюминием должно явиться эффективным способом рафинирования металла от кислорода.

Сопоставление минимальных концентраций кислорода при различных вариантах раскисления представлено на рис. 26. Видно, что содержание кислорода при всех вариантах раскисления всегда несколько выше в сплавах с 20% Cr. Наилучшие результаты получены при раскислении сплавов одновременно алюминием и церием, при этом остаточная концентрация кислорода составляет 0,0025%..

На основании полученных данных можно заключить, насколько важно при выплавке сталей и сплавов, содержащих хром, полностью использовать раскислительную способность углерода. Следует, однако, иметь в виду, что в хромистых расплавах активность углерода понижена вследствие взаимодействия углерода с хромом, и раскисляющее действие углерода не может быть использовано с такой же полнотой, как в сплавах железо—углерод.

Данные, характеризующие изменение содержания кислорода в железе, содержащем только углерод, значительно ниже, чем для сплавов железо — хром. Ранее было показано, что раскислительная способность углерода в хромистых нержавеющих сталях при одних и тех же парциальных давлениях СО ниже, чем в чистом железе. Это подтверждается также и практическими результатами при выплавке железа и сплавов железа с хромом в вакуумной индукционной печи.

Простая выдержка хромистого расплава в вакууме приводит к снижению содержания кислорода с 0,02—0,025% до 0,007—0,01% при содержании углерода 0,02—0,05%.

Для получения более низких концентраций кислорода необходимо прибегать к сильным раскислителям (алюминий, церий), поскольку равновесные концентрации кислорода в сплавах железо—хром для этих элементов лежат ниже содержаний кислорода, определяемых раскислительной способностью углерода. Особенно эффективно действуют металлические раскислители в железе, где используя алюминий совместно с церием, можно получить содержания кислорода < 0,001%.

Полученные результаты были использованы для раскисления нержавеющей стали 1Х18Н9Т во время выплавки ее в вакуумной и открытой индукционных печах. Результаты представлены на рис. 27. Металл раскисляли алюминием на 0,2% и алюминием совместно с церием на 0,2% каждого элемента. Церий присаживали в виде мишметалла. Из рис. 27 видно, что в случае плавки на воздухе через 1—2 мин после присадки раскислителей происходит снижение концентрации кислорода с 0,012—0,014% до 0,007—0,008%, но в дальнейшем содержание кислорода вследствие окисления расплава неуклонно возрастает и уже через 8— 10 мин достигает почти исходного содержания.

При плавке в вакууме простая выдержка металла в печи благодаря раскислению углеродом, привела к понижению содержания кислорода с 0,011% до 0,008—0,009%. После введения в расплав раскислителей содержание кислорода понизилось до 0,002—0,004% и в дальнейшем оставалось почти неизменным на уровне, близком к равновесным значениям.

Применение в вакууме сильных металлических раскислителей является эффективным способом рафинирования металла от кислорода и соответственно от окисных неметаллических включений. Так, при раскислении сплавов, содержащих 20% Cr, содержание неметаллических включений, определенных электролизом при использовании церия совместно с алюминием, составило 0,004— 0,0065%.