Способ деазотации жидкого металла Советский патент 1980 года по МПК C21C5/56 

Изобретение относится к области металлургии стали, а именно к процессам деазотации стали и железа. Известен способ деазотации стали путем вакуумирования в жидком состоя нии в ковше или вакуумной печи. Одна ко деаэотация путем наложения вакуум требует значительного времени. Азот медленно удаляется из расплава даже в том случае, когда фактические его концентрации во много раз превышают равновесие, т.е. когда давление в камере вакуумного агрегата снижено до 0,0015 атм и менее. Достаточно быстро деазотация протекает лишь в случае вакуумирования стали в нераскисленном состоянии при содержании углерода свыше 0,05-0,10%, т.е. когда за счет высокого парциального давления окиси углерода (высокой упругости выделения окиси углерода) расплав под вакуумом кипит.Азот,выде ляясь в готовые пузырьки окиси углерода, выносится ими из расплава 1. Деазотация металла вакуумирование в нераскисленном состоянии не всегда приемлема, так как. требует последующего рафинирования металла от кислорода.. Кроме того, она неприменима дл сталей, в состав которых входят повышенные количества элементов с высоким средством к кислороду (хром, марганец, алюминий, титан и т.п.), т.е. по своему основному химическому составу являющихся раскисленными. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является способ деазотации металла в раскисленном состоянии путем продувки или обдувки его в ходе вакуумирования водородом или водородсодержащими газами при давлении 1-10 мм рт.ст. (или 0,0015-015 атм) 2. За счет этого отмечается переход азота из металлической фазы в газовую и увели.чивается поверхность раздела фаз газ-металл, на которой протекает деазотация. Недостатком способа является удаление азота лишь на оголенной поверхности металла в ковше или тигле печи (в случае обдувки расплава указанными газами сверху), или на поверхности пузырьков, продуваемого через расплав газа (в случае продувки снизу). Результат процесса сильно зависит от гидродинаи мческих условий продувки и эффективность способа уменьшается при переходе от лабораторных масс металле к промьдиленным, Следствием этого является недостаточ ная скорость деазотации промьошленных масс металла и нестабильность резуль татов. Целью изобретения является интенсификация процесса вакуумной деаэота ции металла в раскисленном состоянии Поставленная цель достигается тем что деаэотацию вакуумированием ведут в условиях повышенных концентраций водорода в металле. Концентрация водорода регулируется таким образом, что парциальное давление водорода, равновесное с его фактической концен трацией в металле, т.е. упругость выделения водорода, должно быть боль ше барометрического давления в вакуумной камере. При таком парциальном давлении водорода в верхних гориэонтах металла возможно зарождение и рост пузырьков водорода на поверхнос ти футеровки емкости с металлом. Это приводит к сг1мопроизвольному кипению расплава. Азот из расплава диффундирует в пузырьки водорода,, удаляясь из расплава вместе с водородом. Механизм процесса становится подобным механизму .процесса деазотации нераскисленного расплава с повышенным содержанием углерода. Скорость деазота ции многократно (пять-десять раз) возрастает, процесс протекает в режи ме кипения расплава как при высоком, так и при низком содержании азота. Минимальное превышение упругости выделения водорода над барометрическим давлением в вакуумной камере,при котором возможно водородное кипе ние расплава, составляет 0,05-0,1 ат Оно необходимо для, преодоления сил .поверхностного натяжения металла в момент зарождения газовых пузырьков. Получить превышение упругости выделения водорода более 1,2-1,5 атм в открытом агрегатё невозможно, для эт го требуется агрегат типа автоклава Превышение упругости выделения водорода до 1,5 атм. можно получить в плазМе.нной печи, в которой плазмообразующим газом является водород или смесь газов с содержанием водорода более 10-20%. Поскольку по закону Сивертса Н Кц. Р, , то в данном процессе вакуумная деазотация проводится с соблюдением условия t т, (to,o54,5X где Н - концентрация водорода в металле, % или мл/100 г; Kj - растворимость водорода в металле при парциальном давлении водорода, равным 1 атм.,% или мл/100 г; Р| - барометрическое давление в вакуумной камере, атм, Металл водородом может насьдцаться до вакуумирования или в ходе его.При этом могут использоваться следующие способы насыщения.продувка металла водородом или водородсодержащим газом, водяным паром; обработка металта водородсодержащей плазмой;обработка металла водородсодержащими или нпагосодержащими твердыми добавка.ми. При насьвдений водородом металла, находящегося в ковше, наиболее тех-, нелогичным является вдувание в металл водородсодержащих газов на значительной глубине, например через днище ковша, где за счет гидростатического давления столба металла даже под вакуумом общее, давление составляет не менее 0,5-2,0 атм. Это способствует растворению водорода. При насьдцении металла водородом до вакуумирования пригоден практически любой из перечисленных способов насыщения. При струйных методах вакуумирования водород также интенсифицирует процесс деазотации. Водород, предварительно введенный в металл, способствует дроблению вакуумируемой струи, увеличивая поверхность деазотации. Избыточный водород по достижении заданной степени деазотации при необходимости удаляется из металла за счет некоторого продолжения вакууми- . рования или продувкой нейтральным газом. Отмечается возможность эффективной деазотации при использовании сравнительно грубого вакуума, например возможность получения низких концентраций азота при вакуумировании в камере с давлением до 0,15-0,2 атм.При этом необходимо лишь обеспечить достаточно высокий уровень концентрации водорода в металле. Повышение рабочего давления в процессе до 0,015- 0,15 атм. уменьшает необходимую мощность вакуумных насосов и удешевляет вакуумную установку. Кроме того, в отдельных случаях процесс насыщения металла водородом может вообще не проводиться как специальная операция. Например, при использовании водяного пара как окислителя при регулировании концентра- ции некоторых компонентов перед вакуумированием, или,при использовании водорода в качестве плазмообразующего газа, если деазотации подвергается металл, выплавленный в плазменной печи. Насыщение металла водородом будет побочным эффектом, который используется для повышения эффективности вакуумной деазотации. Пример. Испытание способа проведено в лабораторных условиях из 60 кг вакуумной индукционной печи . Вакуум в печи создают после расплавления шихты и насыщения металла водородоЛ. Шихтой служит безуглеродистое железо типа Армкожелезо, насыщенное азотом. Водород вдувают в металл через пористую огнеупорную вставку в дне тигля, печи.

При вакуумировании насыщенного водородом металла после снижения давления до 0,10 атм. и ниже наблюдается кипение расплава, приводившее за 3-5 мин к снижению содержания азота с 0,028-0,030 до 0,018-0,019%, после чего кипение прекращается. Повторное насыщение водородом и вакуумирование приводит к дальнейшему снижению содержания азота. Без насыщения металл водородом за это же время конечное содержание азота составляет 0,024- 0,027%, а дальнейшее снижение содержания азота до 0,018-0,019% требует выдержки металла под вакуумом 15- 30 мин.

Формула .изобретения

Способ деазотации жидкого т егали включающий вакуум1-;рование и обработкуметалл а водородом или водородсодержащими газами отличающийс я тем, что, с целью интенсификации дегазации, дегазацию ведут при концентрации водорода в металле, обеспечивающей превышение упругости выделения водорода над барометричес0ким давлением в вакуумной камере на 0,05-1,5 атм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Сб, под редакцией A.M. Самари5на Вакуумная металлургия , М., Металлургия, 1962, Ci 46-53.

2.Линчевский Б.В. Вакуумная индукционная плавка, М., Металлургия, 1974, с. 34-134 - (прототип).