Вакуумная дегазация

Вакуумная дегазация — это технологический процесс удаления растворённых газов (прежде всего водорода, кислорода, азота) из жидкого металла (обычно стали) путём выдержки расплава под пониженным атмосферным давлением. Относится к методам внепечной обработки стали и применяется для повышения её чистоты, улучшения механических свойств и снижения склонности к дефектам, таким как флокены и газовая пористость.

История

Необходимость в вакуумной обработке стали возникла в середине XX века в связи с ужесточением требований к качеству металла для авиационной, энергетической и военной промышленности. Традиционные методы раскисления (например, кремнием или алюминием) не позволяли полностью удалить водород, который вызывал образование флокенов — внутренних трещин в крупных поковках.

Первые промышленные установки вакуумной дегазации появились в 1950-х годах. В 1952 году в ФРГ была запущена установка вакуумного обезуглероживания (DH-процесс). В 1956 году в СССР на заводе «Электросталь» была введена в строй первая отечественная вакуумная камера для обработки жидкой стали. В 1960-х годах были разработаны более эффективные циркуляционные процессы, такие как RH-процесс (Ruhrstahl-Heraeus), который стал доминирующим в мировой металлургии.

В России (СССР) вакуумная дегазация активно внедрялась на крупных металлургических комбинатах: Магнитогорском (ММК), Новолипецком (НЛМК), Череповецком (Северсталь) и Нижнетагильском (НТМК). К 1980-м годам вакуумной обработке подвергалось до 30 % производимой в стране стали для ответственных изделий.

Физико-химические основы

Растворимость газов в жидком металле подчиняется закону Сивертса: концентрация газа в расплаве пропорциональна квадратному корню из парциального давления этого газа над расплавом. При снижении внешнего давления (создании вакуума) равновесная концентрация газа в металле резко падает, что приводит к его выделению из расплава в виде пузырьков.

Наиболее эффективно удаляется водород (до 60–90 %), так как его растворимость в стали сильно зависит от давления. Кислород удаляется в виде оксида углерода (CO) за счёт реакции с углеродом, растворённым в стали: C + O → CO↑. Этот процесс называется вакуумным обезуглероживанием. Азот удаляется хуже (обычно на 20–40 %), так как его растворимость в железе слабее зависит от давления.

Технологические процессы

Существует несколько основных типов установок вакуумной дегазации, различающихся способом создания вакуума и контакта металла с разрежённой средой.

Камерная дегазация (VD-процесс, Vacuum Degassing)

Жидкая сталь заливается в ковш, который помещается в герметичную вакуумную камеру. Из камеры откачивается воздух до остаточного давления 0,5–2 мм рт. ст. Для ускорения дегазации металл продувается инертным газом (аргоном) через пористую пробку в днище ковша. Процесс длится 15–30 минут. Применяется для обработки небольших партий стали (до 100–150 тонн).

Циркуляционная дегазация (RH-процесс)

Наиболее распространённый метод для массового производства. Вакуумная камера с двумя погружными патрубками («ногами») опускается в ковш с жидкой сталью. В один из патрубков подаётся аргон, который создаёт газлифтный эффект: металл поднимается в камеру, дегазируется, а затем стекает обратно в ковш через второй патрубок. Циркуляция происходит непрерывно. Производительность достигает 300–400 тонн в час. RH-процесс позволяет также проводить обезуглероживание до сверхнизких концентраций (менее 0,002 % C).

Потоковая дегазация (DH-процесс)

Вакуумная камера циклически опускается и поднимается над ковшом. При опускании часть металла засасывается в камеру, дегазируется, а при подъёме — выливается обратно. Менее эффективен, чем RH, но проще в обслуживании. В настоящее время практически вытеснен RH-процессом.

Дегазация в струе (при разливке)

Применяется для небольших объёмов. Струя жидкой стали пропускается через вакуумную камеру при переливе из ковша в ковш или из ковша в изложницу. Обеспечивает высокую степень дегазации, но сложен в управлении и ограничен по производительности.

Применение

Вакуумная дегазация является обязательным этапом производства следующих видов стали:

• Конструкционные стали для крупных поковок (валы турбин, роторы генераторов, коленчатые валы судовых двигателей). Удаление водорода предотвращает образование флокенов — внутренних трещин, разрушающих деталь.
• Трубные стали для магистральных газо- и нефтепроводов. Вакуумная обработка снижает содержание серы и неметаллических включений, повышая коррозионную стойкость и свариваемость.
• Автомобильные стали для штамповки кузовных деталей. Обезуглероживание до сверхнизкого содержания углерода (IF-стали — Interstitial Free) обеспечивает высокую пластичность и штампуемость.
• Электротехнические стали (трансформаторная сталь). Вакуумная обработка позволяет точно контролировать содержание углерода и кремния, что влияет на магнитные свойства.
• Нержавеющие и жаропрочные стали для авиационной и атомной промышленности. Удаление газов улучшает механические свойства при высоких температурах и снижает склонность к коррозии.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение содержания водорода до уровня менее 2 ppm (частей на миллион), что исключает флокенообразование.
• Глубокое обезуглероживание до 0,001–0,002 % C.
• Улучшение чистоты металла по неметаллическим включениям (за счёт флотации включений пузырьками аргона).
• Возможность точного легирования (добавки ферросплавов в вакууме) без окисления.
• Сокращение времени последующей термической обработки (отжига для удаления водорода).

Недостатки

• Высокие капитальные затраты на оборудование (вакуумные насосы, камеры, системы управления).
• Значительное энергопотребление (до 10–15 кВт·ч на тонну стали).
• Окисление и угар легирующих элементов (марганца, хрома) при контакте с остаточным кислородом в камере.
• Ограничения по максимальной массе обрабатываемой стали (обычно до 400 тонн на одну установку).

Развитие в России

В Российской Федерации вакуумная дегазация активно используется на всех крупных металлургических предприятиях. На Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) с 2009 года эксплуатируется установка RH-процесса производительностью 1,2 млн тонн в год. На Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) вакуумная обработка внедрена в производство трансформаторной стали. Череповецкий металлургический комбинат (Северсталь) использует как VD, так и RH-установки для выпуска трубных и конструкционных марок.

В 2010-х годах в России были разработаны и запатентованы собственные конструкции вакуумных камер и систем управления, что позволило снизить зависимость от импортного оборудования. Научные исследования в области вакуумной металлургии ведутся в Московском институте стали и сплавов (МИСиС) и Уральском федеральном университете (УрФУ).

Источники

• Кудрин В. А. «Теория и технология производства стали». — М.: Металлургия, 1999.
• Поволоцкий Д. Я., Рощин В. Е. «Внепечная обработка стали». — Челябинск: ЮУрГУ, 2005.
• Смирнов А. Н., Куберский С. В. «Вакуумная металлургия стали». — Донецк: ДонНТУ, 2011.
• Технический регламент Евразийского экономического союза «О безопасности металлургической продукции» (ТР ЕАЭС 046/2018).
• Отчёты ПАО «ММК», ПАО «НЛМК», ПАО «Северсталь» за 2010–2020 гг.