Воздействие вакуума на сталь оказывает глубокое влияние на все металлургические реакции с участием газов. Во-первых, оно снижает уровень газов, растворенных в жидкой стали. Водород, например, легко удаляется в вакууме до уровня менее двух частей на миллион. Азот не так подвижен в жидкой стали, как водород, поэтому при 20-минутной вакуумной обработке обычно удаляется только 15-30%.
Еще один важный процесс — вакуумное обезуглероживание и раскисление. В теории кислород и углерод, растворяясь в стали, реагируют с образованием монооксида углерода до тех пор, пока не достигнут равновесия при следующем соотношении:
Это означает, что в условиях вакуума (когда в окружающем газе содержится лишь небольшое количество монооксида углерода и, следовательно, давление монооксида углерода невелико) углерод и кислород будут бурно реагировать, пока не достигнут равновесия при очень низких уровнях. Например, жидкая сталь под давлением в 1 атмосферу может содержать 0,043 процента углерода и 0,058 процента кислорода, но если давление понизить до 0,1 атмосферы, эти два элемента будут реагировать до достижения равновесия в 0,014 процента углерода и 0,018 процента кислорода. При давлении в 0,01 атмосферы равновесие будет достигнуто при 0,004 процента углерода и 0,006 процента кислорода. В практической работе достижимые уровни углерода и кислорода значительно превышают равновесные условия, поскольку движение атомов углерода и кислорода в жидкой стали занимает много времени, а время обработки ограничено. Кроме того, сталь постоянно раскисляется несколькими источниками кислорода. Тем не менее, обычной практикой является получение ультранизкоуглеродистой стали, содержащей менее 0,003 процента углерода, за 20 минут на станции вакуумной обработки под давлением в один торр. (В вакуумной технологии давление часто выражается в торрах, что эквивалентно давлению столба ртути в один миллиметр. Одна атмосфера равна 760 торр).
Существует несколько типов вакуумной обработки, их применение зависит от марки стали и требуемой производительности. В резервуарном дегазаторе (на рисунке показан буквой B) ковш помещается в вакуумный резервуар с открытым верхом, который подключен к вакуумным насосам. Система вакуумной откачки часто состоит из двух или трех механических насосов, которые понижают давление примерно до 0,1 атмосферы, и четырех или пятиступенчатых паровых эжекторов, которые доводят давление до менее чем 1 торр, или 0,0013 атмосферы. Практическое время обработки составляет 20-30 минут. Ковши, используемые на станциях дегазации, имеют большие размеры и, когда они заполнены сталью, имеют около одного метра свободного борта, чтобы удерживать расплав во время бурного кипения.
Модификацией резервуарных дегазаторов является вакуумный кислородный обезуглероживатель (VOD), в котором в центре крышки резервуара находится кислородная форсунка для более эффективного удаления углерода под вакуумом. VOD часто используется для снижения содержания углерода в высоколегированных сталях без переокисления таких окисляемых легирующих элементов, как хром. Это возможно благодаря тому, что в реакции углерода с кислородом, зависящей от давления, о которой говорилось выше, кислород реагирует с углеродом до того, как он соединяется с хромом. VOD часто используется при производстве нержавеющих сталей.
Существуют также дегазаторы с резервуаром, в которых электроды установлены как в печи-ковше, что позволяет проводить дуговой нагрев под вакуумом. Этот процесс называется вакуумной дуговой дегазацией, или VAD.
При более высокой производительности (например, 25 обрабатываемых ковшей в день) и больших ковшах (например, 200 тонн) используется рециркуляционный дегазатор, показанный на рисунке буквой C. Он имеет две огнеупорные трубки, которые являются частью высокого цилиндрического вакуумного сосуда с огнеупорной футеровкой и погружены в сталь. Когда система откачивается, атмосферное давление выталкивает жидкую сталь через шноркели и поднимает ее в сосуд. Одна атмосфера поднимает жидкую сталь примерно на 1,3 метра. Впрыскивание аргона в один из шноркелей приводит к циркуляции стали по сосуду, постоянно подвергая часть стали воздействию вакуума. Установки рециркуляции часто очень сложны, в них используются системы быстрой смены емкостей или даже две рабочие емкости на одной станции для достижения высоких производственных показателей. Некоторые установки также подают кислород во время вакуумирования через боковую или верхнюю часть сосуда. Это делается для ускорения обезуглероживания или, при одновременном добавлении алюминия, для повышения температуры стали. Некоторые цеха применяют аналогичную систему, но используют вакуумный сосуд только с одним шноркелем. В этом случае часть стали в ковше поступает в вакуумный сосуд и вытекает из него, подвергаясь воздействию вакуума путем непрерывного поднятия и опускания либо сосуда, либо ковша.
