Размещено на http://www.allbest.ru/

ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Содержание

• Введение
• 1. Обработка металла вакуумом
• 1.1 Удаление кислорода и обезуглероживание металла
• 1.2 Дегазация металла
• 1.3 Снижение содержания неметаллических включений
• 1.4 Вакуумная дисцилляция
• 1.5 Современные способы вакуумирования стали
• 2. Обработка металла в ковше инертными газами
• 2.1 Устройства для подачи газа в сталь
• 2.2 Результаты обработки металла нейтральными газами
• 2.3 Варианты совершения обработки металла аргоном в ковшах
• 2.4 Аргонно-кислородная продувка
• 3. Обработка металла синтетическим шлаком
• 4. Обработка шлака в ковше твердыми шлакообразующими смесями и порошкообразными материалами
• 4.1 Дефосфорация металла
• 4.2 Десульфурация металла
• 4.3 Науглероживание, азотация и легирование стали
• 4.4 Особенности рафинирования стали кальцием, магнием и РЗМ
• 4.5 Введение материалов в жидкую сталь в оболочке
• 5. Комплексное внепечное рафинирование стали
• 6. Перемешивание металла в ковше
• 7. Отделение шлака от металла
• 8. Флотация и фильтрация неметаллических включений
• Литература

Введение

Идеи, относящихся к внепечной обработке металлов, начали появляться еще во второй половине 19 века. В 1865г. Г. Бессемер опубликовал патент, предусматривающий использование вакуума при получении отливок. К этому же времени относятся патенты Р. Айткена, Р.Г. Гордона, Е. Мея, Т. Уайрайта и др. предусматривающие различные варианты вакуумирования стали. Однако из-за отсутствия необходимых технических средств эти технологии в то время не были востребованы. В дальнейшем углубление теоретических основ, совершенствование контрольно-измерительных средств и промышленного оборудования, использование высококалорийных видов топлива и относительно дешевого газообразного кислорода обеспечили неоправданные темпы наращивания объемов производства металлопродукции. Объем потребления некоторых видов сырья и топливных ресурсов стали сопоставимы с их мировыми запасами, а сбрасываемые отходы производства начали создавать экологическую угрозу цивилизации. Еще острее стал вопрос о необходимости удовлетворения нужд промышленности за счет повышения качества стали без увеличения объемов ее производства. Это стимулировало поиск новых технологий и инженерных решений. К этому же развитие современной техники, становление новых ее отраслей, широкое освоение атомной энергии, космоса, Арктики, повышение параметров и ужесточение эксплуатационных режимов работы машин и агрегатов предъявляют все более высокие требования к качеству стали, к стабильности ее служебных свойств. В связи с этим за последние десятилетия произошли коренные изменения масштабов производства качественных и высококачественных сталей.

Постоянно растущие требования потребителей металла к его качеству стало невозможно обеспечить при выплавке металла в сталеплавильных агрегатах. По этому с середины 20-го столетия на новой основе были воссозданы и получили промышленное развитие современные способы внепечной обработки. Основное назначение внепечной обработки металлов заключается в осуществлении ряда технологических операций в специальных агрегатах или в ковшах быстрее и эффективнее, чем в конветерах, мартеновских и дуговых электрических печах.

Быстрое распространение и широкие масштабы применения внепечной обработки обусловлены следующим:

- повышается производительность обслуживающего персонала и оборудования, улучшаются условия труда, и снижается экологическая нагрузка на окружающую среду;

- обеспечиваются гарантированно низкие и сверхнизкие содержания нежелательных серы, фосфора, водорода, азота, кислорода и неметаллических включений;

- снижается содержание некоторых вредных цветных металлов;

- достигается глубокое эффективное обезуглероживание металла, и получение новых марок стали типа IF-сталей, низкоуглеродистых, нержавеющих и др.;

- становится возможным экономное легирование металла легкоокисляемыми, летучими, труднорастворяемыми, легкими и токсичными элементами;

- доводится химический состав металла до узких заданных содержаний элементов во всем его объеме;

- усредняется и достаточно точно обеспечивается заданная температура металла;

- модифицируются неметаллические включения, очищаются границы зерен кристаллов;

- повышается качество, надежность и срок службы изделий;

- существенно повышаются технико-экономические показатели доменного, сталеплавильного и прокатного производства;

- стандартизируются технологические режимы металлургического производства, упрощается технология и контрольные функции;

- расширяются объемы непрерывной разливки стали при увеличении производительности МНЛЗ в результате высокого и стабильного ее качества;

- коренным образом изменяется структура и тип потребляемых шихтовых и добавочных материалов, ферросплавов и раскислителей, снижаются требования к их составу по примесям, вместо низкоуглеродистых ферросплавов (FeCr, FeMn) используются недефицитные дешевые высокоуглеродистые ферросплавы, а иногда становится возможное прямое легирование оксидами легирующих металлов.

В результате использования возможностей внепечной обработки развивающаяся промышленность обеспечивается необходимым количеством металла даже при уменьшении объемов его производства. Масштабы выплавки стали уже не вполне характеризуют промышленный потенциал страны. Главным становится высокое качество и надежность металла, достигаемые при снижении затрат на производство продукции.

В современных методах внепечной обработки стали используются следующие технологические приемы:

- обработка металла вакуумом;

- продувка металла активными и инертными газами;

- обработка металла жидкими шлаками;

- обработка металла твердыми шлакообразующими смесями;

- глубинное введение рафинирующих реагентов;

- комплексные способы рафинирования металла;

На современном этапе развития сталеплавильного производства практически вся производимая в мире сталь подвергается внепечной обработке.

1. Обработка металла вакуумом

Снижение давления над расплавом интенсифицирует протекание тех реакций и процессов, в результате которых увеличивается объем реагентов. К ним относятся процессы, сопровождающиеся увеличением числа молей газообразных компонентов или образованием газообразной фазы из конденсированной. При вакуумировании стали интенсифицируются процессы окисления углерода, выделения растворенных в металле водорода и азота, испарение компонентов расплава, восстановления оксидов углеродом и др. Создаваемая разреженная газовая атмосфера лучше, чем продувочный аргон, обеспечивают кинетику процессов рафинирования. Диффузионные звенья кинетики в разреженной газовой фазе (в миллилитре - 10¹⁶ молекул) не лимитируют скорость реакции, так как газ распространяется в объеме практически мгновенно.

Наиболее важными достоинствами процесса вакуумирования стали является то, что при его применении одновременно решается большой комплекс сложных технологических проблем металлургического производства, над решением которых металлурги работали многие годы, решая лишь отдельные задачи. Первоначально вакуумная обработка предназначалась для дегазации стали. Понижение содержания водорода в стали до 2·10^-4 % позволяет отказаться от длительной и дорогостоющей противофлокенной обработки. Например, для паковок толщиной около 1м, такая обработка при температуре обжига 650 ⁰С длится 37 суток. От такого же длительного обезуглероживающего отжига избавило вакуумирование, обеспечив получение стали с содержанием углерода менее 0,001%, что позволило разработать новые марки низкоуглеродистых сталей. Кроме того, вакуумная обработка позволила значительно повысить производительность сталеплавильных агрегатов, обеспечила снижение расхода раскислителей и легирующих материалов при существенном повышении качества металла.

1.1 Удаление кислорода и обезуглероживание металла

Непосредственное удаление из стали растворенного в ней кислорода даже при глубоком вакууме практически невозможно. Удаляется кислород в виде {CO} или с всплывающими оксидными неметаллическими включениями. При снижении давления с 10⁵ Па до 10² Па равновесие реакции

[C] + [O] = {CO}

сдвигается вправо и содержание кислорода в металле снижается, обеспечивается углеродное раскисление без образования неметаллических включений с одновременным обезуглероживанием металла. Как было показано ранее этот процесс затрудняется при повышении общего или гидростатического давления. Зарождение пузырьков {CO} облегчается на стенках футеровки ковша, имеющих несмачиваемые, поры и в верхних горизонтах металла из-за низкого гидростатического давления. Наличие интенсивного периферийного кипения металла при вакуумировании в ковшах подтверждает генерирующую роль пор огнеупоров. Раскипание металла обеспечивает перемешивание ванны и доставку нижних объемов вверх, где при низком гидродинамическом давлении металл дегазируется. К тому же при наличии скоростных потоков в объеме жидкого металла неизбежно образуются полости с пониженным давлением, облегчающие процессы дегазации, а в направленных против гравитационных сил потоках металл "облегчается". В соответствии с принципом Бернули: "В струе жидкости или газа давление велико, если скорость мала, и давление мало, если скорость велика".

P / r + Z + U² / 2g = Сonst (1)

где P/r - удельная энергия давления; Z - удельная энергия положения жидкости; U²/2g - гидродинамическое давление (скоростной напор). Из этого уравнения следует, что с увеличением скорости потоков жидкости третье слагаемое, пропорциональное квадрату скорости, существенно возрастает, а роль первого слагаемого становится незначительной. Поэтому процессы дегазации при вакуумировании стали, генерирующие образование направленных скоростных потоков, являются самоускоряющимися и завершаются после более менее полного расходования сверхравновесных содержаний газов и газообразующих компонентов. Ведущим процессом и в этом случае является окисление углерода.

Потенциальные возможности для перемешивания вакуумируемого металла образующимися газами достаточно велики. Так при окислении 0,1% углерода и выделении 4мл водорода на 100г металла объем образующегося газа превышает объем вакуумируемой стали более чем в 1000 раз. Энергию перемешивания металла выделяющимися газами следует регулировать с помощью вакуумного затвора так, чтобы в течение всего периода окисление углерода поддерживать оптимальную интенсивность массопереноса во всем объеме. Чрезмерная интенсивность кипения может сопровождаться выбросами металла за борт ковша. Л.Н. Новик описывает случай, когда при быстром нарастании вакуума из 60 т ковша был выброшен весь металл, поднявшись на высоту до 3х метров. Искусственное перемешивание необходимо только в период завершения реакции взаимодействия углерода с кислородом, когда дальнейшее развитие реакции лимитируется массопереносом одного из элементов к месту ее протекания, а также при перемешивании металла с введенными раскислителями и легирующими добавками.

При вакуумировании стали в ковше, уже в течение первых двух минут достигается 75 кратное возрастание сверхравновесной концентрации кислорода по отношению к углероду. Для сравнения отметим, что на подине мартеновских печей процесс протекает при 2-3х кратной сверхравновесной концентрации кислорода.

Экспериментально подтверждено, что вплоть до остаточного давления 10 мм рт. ст. не наблюдается значительных отклонений от равновесных концентраций, для температуры 1600?С соблюдается соотношение:

[С] [O] = 0,0025 Рсо (2)

При содержании в стали менее 1% углерода установлено дополнительное повышение его раскислительной способности из-за повышения содержания СО 2 в газовой фазе до 20% по реакции:

2 [C] + 3 [O ] = {CO} + {CO2} (3)

Следовательно, в результате повышения раскислительной способности углерода обеспечивается весьма глубокое обезуглероживание металла при сохранении достаточно высокой его раскислительной способности. Еще более благоприятные условия для глубокого обезуглероживания металла создаются в циркуляционном вакууматоре. В нем с увеличением расхода аргона снижается парциальное давление {CO}, увеличивается поверхность газ-металл, на которой окисляется углерод в объеме металла и на поверхности капель фонтанирующего металла. Это позволяет производить новый класс сталей с содержанием углерода менее 0,001%. Использование аргона интенсифицирует процесс и в других вариантах вакуумной обработки.

1.2 Дегазация металла

Одним из назначений процесса вакуумирования стали является снижение содержания в ней водорода и азота, которые оказывают существенное влияние на физико-механические свойства металла. Растворимость водорода в железе возрастает при повышении температуры и скачкообразно изменяется при фазовых превращениях, рис. 1.

Рис. 1. - Растворимость водорода в железе.

По ходу плавки содержание водорода в металле зависит от парциального давления Н 2О над ванной:

[H] = K?.

В жидком железе водород находится в виде протона Н +. Скорость миграции таких малых частиц в расплавленном железе очень велика. В твердом состоянии б - Fe более проницаемо для водорода, чем г -Fe, но растворимость водорода выше в г- Fe, имеющего большие поры в кристаллической решетке. Содержащиеся в металле элементы повышают растворимость водорода (неодим, цирконий, церий, торий, лантан, титан, ванадий) или понижают (углерод, кремний, алюминий) в зависимости от силы связи с железом и характера влияния на стабилизацию той или иной кристаллической решетки железа.

При содержании водорода более 0,0005% создаются локальные напряжения и снижаются пластические свойства, что приводит к возникновению флокенов в прокате и поковках при содержании углерода более 0,25% и в легированных сталях мартенситного и перлито-мартенситного классов. Кроме того повышенное содержание водорода в прокате из легированных сталей приводит к образованию волосовидных трещин и повышению центральной пористости, а в высоколегированных хромистых и кремнистых сталях вызывает рослость слитков, образование свищей и газовых пузырей.

Предотвратить образование флокенов удается при замедленном охлаждении или длительном изотермическом обжиге после горячей пластической деформации. Но более эффективным и экономичным, является вакуумирование стали. При содержании водорода ниже 0,0002% в легированной и ниже 0,0003% в углеродистой стали по всему сечению сталь становится нечувствительной к образованию флокенов даже при охлаждении на воздухе.

Экспериментальные данные о растворимости азота в железе представлены на рис. 2., из которого следует:

1. растворимость азота в б - и д - железе при повышении температуры возрастает, а в г-железе - понижается в связи с понижением прочности нитрида Fe 4N;

2. растворимость азота при фазовых превращениях резко изменяется.

По влиянию примесных элементов на растворимость азота в жидком железе они делятся на две группы:

Рис. 2. - Растворимость азота в железе.

1. элементы, образующие прочные нитриды (ванадий, ниобий, лантан, церий, титан, алюминий) повышают растворимость азота в железе, увеличивают растворимость азота также хром, марганец и молибден, не образующие прочных нитридов, но они обладают большим сродством к азоту, чем к железу;

2. снижают растворимость азота в железе углерод, никель, медь и фосфор не образующие нитридов, а также кремний, имеющий большее сродство к железу, чем к азоту.

При быстром охлаждении из-за скачкообразной растворимости во время фазовых превращений азот, как и водород, не успевает выделиться, и раствор становится пересыщенным. Процесс выделения избыточного азота протекает во время эксплуатации изделий, что снижает пластические свойства металла, и получило название старение металла. Размеры частиц азота в металле значительно больше, чем водорода, поэтому коэффициент диффузии его на два порядка ниже, чем водорода, кроме того на процессы растворения и удаления азота существенное влияние оказывают поверхностно активные кислород и сера, которые снижают скорость перехода азота через границу раздела фаз.

Молекулярный азот - химически малоактивен, так как большая прочность его молекул обуславливает высокую энергию активацию реакций, протекающих с участием азота. Энергия диссоциации молекул азота очень велика и составляет 945 кДж/моль. Поэтому термическая диссоциация азота заметна только при очень высоких температурах. Так при 3000?С диссоциирует лишь около 0,1% молекул азота. Насыщение металла атомарным азотом протекает с высокими скоростями. Поэтому в локальных зонах с повышенной температурой массоперенос азота существенно повышается. Это относится к зоне горения дуги, у кислородной фурмы и пр.

Нейтрализуют вредное влияние азота, образуя прочные нитриды алюминия, титана, циркония, ванадия и др. элементов. Однако эти элементы обладают большим сродством к кислороду, которого обычно в стали содержится примерно в 5 раз больше, чем азота. Поэтому металл загрязняется оксидными неметаллическими включениями, снижающими качество стали. В связи с этим проблема устранения вредного влияния азота на качество стали до появления вакуумной обработки, оставалась трудноразрешимой задачей.

Глубокое раскисление металла углеродом в процессе вакуумирования, предшествующее введению нитридообразующих элементов, позволяет при низком содержании оксидных неметаллических включений полностью связать азот в стойкие нитриды и вывести его из твердого раствора. В этом случае сталь упрочняется карбонитридами и нитридами при сохранении высоких пластических свойств, и азот становится полезной примесью.

Вакуумная дегазация основана на уменьшении парциального давления водорода и азота в газовой фазе. Расчеты показывают, что при 1600?С условиям равновесия с металлом, содержащим 0,0002% водорода и 0,003% азота (которые почти не снижают качество стали) соответствует газовая фаза с парциальным давлением водорода и азота на уровне 5кПа.

При вакуумировании снижение содержания водорода и азота в стали обеспечивается в результате следующих процессов:

- десорбции водорода и азота с поверхности пузырей СО (или аргона) внутрь и выноса из ванны с этими пузырьками;

- десорбции газов с открытой (открывающейся при перемешивании) поверхности ванны, к которой их атомы перемещаются в результате конвекции или диффузии;

- выделение пузырей водорода и азота, зарождающихся в ванне на поверхности футеровки или неметаллических включений в случае высоких содержаний газов и наличии благоприятных условий;

- всплывания гидридных и нитридных неметаллических включений при наличии в расплаве соответствующих элементов.

Кинетика удаления водорода и азота при вакуумировании стали определяется условиями протекания следующих основных стадий процесса:

- перенос атомов водорода и азота к поверхности раздела металл-газ;

- диффузия через тонкий не перемешиваемый диффузионный слой расплава;

- адсорбция атомов газа в поверхностном слое;

- реакция молизации;

- десорбция образовавшихся молекул в газовую фазу;

- отвод молекул газа от поверхности.

Результирующая скорость дегазации пропорциональна интенсивности перемешивания ванны и удельной поверхности металл-газ. Большую роль в ускорении дегазации при вакуумной обработке играет одновременное выделение пузырей СО, которые являются дополнительными маленькими вакуумными камерами (первоначальное парциальное давление водорода и азота в них равны нулю) и интенсивно перемешивают металл.

1.3 Снижение содержания неметаллических включений

Более низкое содержание неметаллических включений в вакуумированной стали достигается в результате углеродного раскисления, флотации неметаллических включений газовыми пузырями и создания направленных вверх потоков металла, облегчающих ассимиляцию включений покровными шлаками.

Упругость диссоциации большинства оксидов легирующих элементов настолько мала, что одно только снижение давления в системе не может привести к уменьшению кислорода в стали.

Однако термодинамически возможно восстановление некоторых находящихся в металле оксидов углеродом по реакции:

(МеО) + [C] = [Me] +{CO} (4)

Константа равновесия этой реакции:

К= РСО ? а[Me] / а(MeO) ? а[C]) (5)

откуда:

а(MeO) = PCO ? а[Me] / (K ? а[C]) (6)

Из выражения (6) следует, что при понижении РСО содержание оксидных включений в металле снижается. Менее прочные включения типа МnО или Сr2O3 восстанавливаются углеродом в вакууме почти полностью, а металл обогащается восстанавливаемыми элементами. Кинетические условия для восстановления более прочных оксидов углеродом неблагоприятны. Поэтому углеродное раскисление в вакууме наиболее эффективно при обработке нераскисленной стали.

Флотация неметаллических включений всплывающими газовыми пузырями происходит тогда, когда смачиваемость газового пузыря неметаллическим включением лучше смачиваемости этим неметаллическим включением металла (увкл-г < увкл-м). В большинстве случаев это соотношение соблюдается, и газовые пузыри очищают металл от неметаллических включений при условии низкой окисленности покровных шлаков и высокой их ассимилирующей способности по отношению к всплывающим неметаллическим включениям. Такая же ситуация возникает и при перемещении вверх неметаллических включений с восходящими конвективными потоками жидкого металла.

1.4 Вакуумная дисцилляция

Процесс испарения, как и дегазации, многостадийный и определяется аналогичными факторами. При этом испарение вредных примесей и нежелательных цветных металлов обеспечивает рафинирование металла, а испарение легирующих элементов затрудняет получение стали заданного состава. Возможность и интенсивность испарения определяется давлением пара растворенного элемента і над расплавом:

Рі = Рі? ? Хі ? гі (7)

где Рі? - давление пара чистого элемента; Хі и гі - мольная доля и коэффициент активности элемента в расплаве.

Упругость паров железа при температуре 1600?С составляет по разным данным до 13 Па., что ниже, чем во многих цветных металлов и серы, но выше, чем у фосфора. Упругость паров кадмия, цинка, калия и натрия при 1500?С свыше - 5 МПа, магния - 1,0 МПа, кальция - 0,1 МПа; марганца - 1к Па, меди - 10^-1,5 к Па, олова - 10^-1,5 к Па, хрома 10 Па. Для рафинирования металла дистилляцией важным показателем является коэффициент испарения б, который показывает во сколько раз быстрее испаряется данный элемент по сравнению с железом. Для Мn, Си, Sn и S он соответственно равен 150; 60; 18; и 7,5. Испарение сопровождается снижением температуры металла и образованием около 1 кг/т стали пыли. В составе пыли до 75% оксидов марганца и железа при вакуумировании стали, содержащей 1% марганца.

Но так как в жидком металле мольная доля испаряющихся элементов значительно ниже мольной доли железа, то для оценки эффективности дистилляции рассматривают сравнительные потери испаряющегося железа. Так при испарении половины содержащегося в металле Мn, Cu, Sn, S и As потери железа соответственно составляют, %: 0,5; 1,1; 3,8; 10 и 21. Если рассматривать не двойные системы железо-элемент, то показатели дистилляции будут зависеть от изменения активности испаряющегося элемента в расплаве. Например: коэффициент активности серы в чугуне примерно в 5 раз выше, чем в стали, во столько же раз будет выше давление паров серы над расплавом.

1.5 Современные способы вакуумирования стали

Современные методы вакуумирования стали позволяют решать многообразные задачи по повышению качества различных марок стали, применяя соответствующие варианты оборудования и технологии. В конкретных условиях при выборе варианта руководствуются анализом достигаемых результатов и окупаемостью дополнительных затрат.

1. Вакуумирование стали в ковше, помещаемом в вакуумную камеру (камерное). Установка для вакуумирования стали в ковше (рис. 3) состоит из цельносварной футерованной вакуумной камеры 2, в которую устанавливается ковш 1 с металлом на стенде 3 таким образом, чтобы его можно было извлечь даже в том случае, если весь металл из ковша окажется в вакуумной камере. Футерованная крышка 5 с вакуумным уплотнением закрывает камеру с помощью гидропривода. Раздельное введение ферросплавов производится с бункеров 4, оборудованных гидроприводами и вакуумными шлюзами. Для глубинного ввода в металл алюминия, РЗМ и ЩЗМ имеется специальное устройство 10.

Рис. 3. - Установка для вакуумирования стали в ковше (камерное вакуумирование).

Крышка оборудована гляделкой, шлюзами для отбора проб и защищена брызгоулавливающим теплозащитным экраном. Вакуумная камера сообщена с пароэжекторным вакуумным насосом трубопроводом 6 с вакуумной задвижкой Продувка аргоном производится через пористую (щелевидную) вставку 9 в днище ковша.

На такой установке дегазируют нераскисленный металл в ковше с хорошо разогретой футеровкой, оборудованном шиберным затвором и имеющим запас высоты для предотвращения перелива металла через борт. Подогретые ферросплавы вводят в металл после углеродного раскисления, усредняя состав стали продувкой аргоном. Степень усвоения легирующих элементов достигается, %: Mn - 95, Si - 90, Cr - 98, Ti - 85, Al - 70. При этом снижается угар и теплота экзотермических реакций, из-за чего даже при раскислении 45% ферросилицием температура металла, понижается на 13?С, тогда как при раскислении невакуумированного металла в этом случае температура его повысилась бы на 9?С.

Достоинством камерного вакуумирования являются простота оборудования и технологии, относительно небольшие потери тепла при обработке. Высокая степень усвоения раскислителей и легирующих, степень дегазации до 75% по водороду, до 40% по азоту, уменьшение среднего размера неметаллических включений в 3 раза. В одной вакуумной камере можно вакуумировать сталь в ковшах разной вместительности, подогрев камеры не требуется, что не регламентирует график ее использования.

К недостаткам способа относятся:

- требуется предотвращение взаимодействия атмосферы с металлом во время разливки;

- необходимо предотвращать или ограничивать попадание печного шлака в ковш при выпуске плавки;

- недостаточно эффективна вакуумная обработка глубоко раскисленной стали;

- при вакуумировании стали в ковшах до 50 т необходимо дополнительно перегревать металл более, чем на 100?С.

2. Вакуумирование стали в струе при переливе из ковша в ковш. Струйное вакуумирование обеспечивает многократное увеличение поверхности металл-газ при отсутствии гидростатического давления. Еще в канале разливочного стакана при числе Re = 10⁵ энергия турбулентных пульсаций достаточна для образования кавитационных полостей, преобразующихся в центры газообразования с последующим формированием пузырьковопленочной структуры с растягиванием пленок и непрерывным обновлением реакционной поверхности. Результаты вакуумирования струи определяют время существования и скорость развития пузырьковопленочной структуры, зависящие от глубины вакуума и газосодержания стали. При переливе нераскисленной стали, дегазация существенно повышается. Доля струи в процессе дегазации нераскисленного металла превышает 50%, но она мала при вакуумировании раскисленной стали, которая преимущественно дегазируется уже в накапливающемся объеме металла при наличии уже готовых зародышей пузырей.

Установки для вакуумирования стали при переливании из ковша в ковш (рис. 4) могут иметь отдельную вакуум-камеру, в которую помещается сталеразливочный ковш, или состоять из сталеразливочного ковша, оборудованного вакуумным фланцем и крышкой. При этом днище верхнего ковша выполняется так, чтобы можно было установить вакуумное уплотнение с крышкой камеры.

Впускная труба 9 ограничивает расширение струи, предотвращая потери металла. Остальные устройства выполняют такие же функции, как и при камерном вакуумировании. Для стимулирования зарождения газовых пузырьков в верхний ковш устанавливают стакан с острой кромкой и конической формой отверстия. В нижнем ковше вакуум создают до начала перелива металла.

Оптимальная степень дегазации при средних по вместимости ковшах и допустимых потерях температуры обеспечивается, если скорость перелива составляет 25-30 т/мин, а продолжительность не превышает 15 мин. Эффективнсть вакуумирования раскисленного металла повышают введением инертного газа в струю через стопор. При появлении шлака перелив металла и вакуумирование прекращается, в камеру напускается сначала инертный газ, чтобы избежать хлопкообразного горения паров ЩЗМ, а затем воздух. Крышку открывают при достижении атмосферного давления в камере, и зеркало металла утепляют теплоизолирующей смесью.

Рис. 4. - Вакуумная обработка стали при переливе из ковша в ковш с использованием вакуумкамеры (а) и без нее (б): 1 - первый сталеразливочный ковш; 2 - защитный экран; 3 - крышка вакуумной камеры (ковша); 4 - к вакуумным насосам; 5 - второй сталеразливочный ковш; 6 - подача легирующих элементов и раскислителей; 7 -вакуумная камера; 8 - гляделка; 9 - направляющая огнеупорная труба; 10 - шиберный затвор; 11 - подача инертного газа.

Основными преимуществами этого метода является возможность глубокого раскисления металла углеродом с высокой степенью дегазации при невысоком остаточном вакууме (650 Па). Вакуумированную сталь можно разливать в слитки любой массы.

Существенными недостатками способа являются: большие потери тепла и необходимость задалживания двух ковшей на каждую плавку. Для снижения потерь тепла при струйном вакуумировании разработан способ вакуумной обработки на выпуске плавок из наклоняющихся сталеплавильных агрегатов, (рис. 5).

Рис. 5. - Способ дегазации стали во время выпуска: 1 - сталеплавильный агрегат; 2 - защитный экран; 3 - вакуумная крышка; 4 - сталеразливочный ковш; 5 - шиберный затвор; 6 - промежуточный ковш; 7 - газоотсос; 8 - подача инертного газа.

Наклоном агрегата регулируется расход метала в пределах 10-15 т/мин для 100 т плавок. К преимуществам этого способа относят уменьшение потерь тепла, сокращение продолжительности операций, один из ковшей заменяется промежуточным ковшом, отпадают дополнительные операции по перемещению ковшей и несколько снижаются капитальные затраты, а степень дегазации повышается так как более горячий металл полнее диспергируется.

3. Вакуумирование стали при отливке крупных слитков.

Струйное вакуумирование применяется также при отливке единичных слитков, когда в вакуумную камеру на поддоне устанавливают изложницу с утеплительной надставкой, (рис. 6).

Удельный объем вакуум-камеры составляет 1,0-1,4 мі/т, уменьшаясь с увеличением массы слитка. Когда очень крупные слитки отливают из нескольких плавок, то первый ковш остается на крышке камеры, заменяя промежуточный ковш.

Рис. 6. - Вакуумная обработка при отливке крупных слитков.

При подготовке прибыльной надставки предъявляются повышенные требования к ее футеровке, которая перегревается в результате разбрызгивания и кипения стали. Для выделения из футеровки водяного пара перед разливкой производится выдержка в вакууме.

В изложницу поступает уже раскисленный металл, поэтому для лучшей дегазации в струю через стопор вдувают аргон, а скорость разливки снижается до 3-7 т/мин. Прибыльную надставку заполняют с перекрытиями стакана, иногда при атмосферном давлении, чтобы уменьшить эрозию футеровки и засорение металла экзогенными неметаллическими включениями. После отливки слитка камеру отключают от насосной станции, заполняют инертным газом и открывают крышку. Слиток утепляют люнкеритом и охлаждают в камере до тех пор, пока станет возможным его извлечение. Например, для 125 т слитка требуется 40 часов выдержки.

Преимуществом этого способа является, отсутствие контакта жидкой стали с окружающей средой и не требуется перегрева стали. Однако производительность вакуум-камеры очень низкая и нет возможности разливать нераскисленную сталь и десульфурировать металл.

4. Поточное вакуумирование. Промышленная установка поточного вакуумирования стали в струе, одновременно с непрерывной разливкой успешно эксплуатируется в конвертерном цехе №2 НЛМК, (рис. 7).

Рис. - Схема установки поточного вакуумирования: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - вакуум-камера; 3 - металлопровод; 4 - промежуточный ковш; 5 - гидроцилиндры; 6 - кристаллизатор.

К днищу 325 т ковша 1 герметично примыкает небольшая проточная вакуум- камера 2, удерживаемая над промежуточным ковшом 4 гидроцилиндрами 5. Учитывая подпор металла за счет разности давлений на зеркало металла в ковше и на выходе струи, разливку производят через стакан с диаметром канала 60 мм вместо 80 мм. Скорость перелива металла составляет 3,8-4,6 т/мин.

В проточной камере струя металла приобретает пузырьковопленочную структуру с развитой и постоянно обновляющейся межфазной поверхностью. Эффективное вакуумированаие продолжается в хорошо перемешивающемся и постоянно обновляющемся тонком слое металла на подине вакуумкамеры. Степень дегазации можно регулировать, изменяя скорость разливки и уровень установки камеры, а также подачей аргона в корень струи. Рафинированная сталь поступает по металлопроводу 3, погруженному под уровень металла в промежуточный ковш 4, а затем в кристаллизатор 6.

Так как окончательное раскисление стали алюминием производится в промковше, то эффект дегазации усиливается в результате развитого в камере раскисления стали углеродом с образованием СО. Однако, при вакуумировании недораскисленной стали, существенно снижается стойкость огнеупоров камеры.

Достоинством метода совмещения вакуумирования, непрерывной разливки и доводки состава стали являются:

- повышение степени рафинирования металла при малых скоростях перелива;

- сокращение операций и снижение потерь тепла металлом;

- предотвращение взаимодействия металла с атмосферой;

- увеличение скорости разливки металла и повышение стойкости футеровки ковша;

- получение заготовок с минимальным развитием центральной пористости;

- снижение капитальных затрат.

Однако не решается разливка методом "плавка на плавку", а в начале разливки каждой плавки металл первых порций не рафинируется до создания гидрозатвора.

5. Порционное вакуумирование - процесс ДН. Впервые процесс вакуумирования металла порциями внедрен в 1956 году фирмой Dortmund - Hхrder в Германии. Основным узлом установки является вакуумная камера с вакуум-плотным кожухом, сваренным из листовой стали (рис. 8). Внутри камера футерована в два слоя. Рабочий слой изготовлен из плавленых огнеупоров на основе периклаза, с добавкой 5-6% оксида хрома. Теплоизоляционный слой состоит из специальных плит пористых податливых огнеупоров, воспринимающих тепловое расширение рабочего слоя, который изготовляется без температурных швов с пришлифовкой соприкасающихся кирпичей.

Рис. 8. - Схема процесса порционного вакуумирования: а - период вакуумной дегазации; б - слив обработанной порции металла; 1 - металл; 2 - ковш; 3 - патрубок с двухсторонней футеровкой; 4 - вакуумная камера; 5 - патрубок к вакуумному насосу; 6 - бункер для присадок необходимых материалов; 7 - графитовый нагреватель.

С помощью фланцевого соединения, к камере крепится всасывающий патрубок из стальной трубы толщиной стенки 15мм. Внутри патрубок футеруется хромомагнезитовым кирпичом, а снаружи на ошипованную поверхность патрубка наносят огнеупорную массу на основе корунда. Стойкость футеровки патрубка до 200 плавок, в нижней части камеры - до 500, а в верхней части камеры - до 4000 плавок. От теплоизлучения из ковша дно камеры защищено экраном, что повышает герметичность камеры.

"Натекание", зависящее от герметичности камеры, должно составлять на холодной камере не более 3%, а на горячей - не более 25% от производительности вакуумного насоса, подключаемого к патрубку, расположенному в верхней части камеры. "Натекание" определяется по формуле:

H = 0,093 ? V (P2 - P1) / ф (8)

где Н - "натекание". кг/час; Р 1 и Р 2 - первый и второй замер давления мм рт.ст.; V - объем системы, мі; ф - время между замерами давления, мин.

Разогрев камеры до рабочей температуры (1450 - 1550?С) предпочтительнее графитовым нагревателем, обычно диаметром 80 мм. питающимся от понижающего трансформатора. При этом снижается вероятность пропитки огнеупоров оксидами железа в восстановительной атмосфере. Служит нагреватель до 50 часов. Для его смены в верхней части камеры размещена пара салазок, установленных в направляющих и оборудованных гидроприводом.

Вертикально-возвратное перемещение камеры обеспечивается гидравлическим подъемником и контргрузом. Узел подачи ферросплавов включает необходимое количество загрузочных бункеров с виброжелобами, бункерные весы, ленточный транспортер и двухкамерный вакуумный шлюз. Автоматика обеспечивает введение материалов только при заполненной камере металлом, что предотвращает закозление и ускоренный износ футеровки. Ковш с металлом перемещается сталевозной тележкой, на которой размещены тензодатчики взвешивающего устройства.

Процесс вакуумирования осуществляется следующим образом. Ковш с металлом устанавливается под вакуумную камеру. Камеру с перекрытым торцом проплавляемым конусом опускают, погружая в металл на 300-600 мм при расстоянии между камерой и бортом ковша не менее 100 мм. При остаточном давлении в камере 100 Па металл заполняет ее, поднимаясь на барометрическую высоту около 1,48 м. После выдержки камеру поднимают, оставляя нижнюю часть патрубка в металле. При этом металл с камеры сливается в ковш, сохраняя заполненным узкий патрубок на барометрическую высоту. Продолжительность цикла забора и сброса металла составляет 15-30 с. Процесс вакуумирования завершается после 30-50 циклов в течение 15-20 мин. Коэффициент циркуляции (отношение массы стали, прошедшей через камеру за время дегазации к массе металла в ковше) обычно равен 3-4. Оптимальная порция металла, забираемая за один цикл, составляет 10-12% от массы плавки при высоте заполнения камеры на 0,3-0,4м.

Скорость движения камеры регулируется автоматически в зависимости от того, как вакуумный насос справляется с откачкой газов. Вверх камера поднимается быстро, вниз - медленно. После окончания дегазации присаживают раскислители и легирующие, затем усредняют состав, делая еще 5-6 циклов забора металла. Камеру оставляют в верхнем положении и заполняют азотом до атмосферного давления, а ковш подают на разливку.

Совершенствуя процесс, шлак в ковше заменяют теплоизоляционной засыпкой, а в патрубок подают до 1500 л/мин. аргона, что позволяет получить более низкие содержания газов и углерода.

Порционное вакуумирование обеспечивает его точное регулирование состава металла, незначительное охлаждение (перегрев 20-30?С), требует меньшей производительности насоса и производится в обычном сталеразливочном ковше. Степень удаления водорода достигает до 80%, азота - до 30%, кислорода - до 90%, снижая расход раскислителей, и в 2 раза загрязнение стали неметаллическими включениями.

К недостаткам способа относятся необходимость в дефицитных огнеупорах для камеры и погружных патрубков, требуется защита струи металла при разливке и поддержание футеровки камеры и патрубков в разогретом состоянии, что удается только при работе в непрерывном режиме.

6. Циркуляционное вакуумирование - процесс RH. Процесс впервые осуществлен в Германии в 1959 г. фирмой Ruhrstahl - Heraeus. В способе циркуляционного вакуумирования используется эрлифтный эффект для обеспечения циркуляции металла в проточной вакуумной камере (рис. 9).



Рис. 9. - Схема установки циркуляционного вакуумирования стали: 1 - бункер для ферросплавов; 2 - бункер дозатор; 3 - трансформатор.

Основное отличие установки RH от DH в том, что камера имеет форму удлиненного цилиндра (высота до 11м), а в металл ковша погружают два патрубка, в один из которых на двух - трех уровнях через трубки из нержавеющей стали подают аргон в количестве от 0,5 до 1,5 мі/ мин. Современные установки оборудуют стационарными камерами, а ковш с металлом подают на специальной тележке с гидравлическим подъемом ковша на высоту, необходимую для погружения патрубков в металл. Одновременно подают аргон и включают вакуумные насосы. Во всасывающем патрубке газ нагревается, увеличиваясь в объеме, поднимается вверх, увлекая металл, в камеру поступает смесь из одной части металла и 10 объемных частей газа со скоростью более 5м/с, фонтанируя на высоту до 10м и создавая многократно увеличивающуюся поверхность газ - металл. Дегазированный металл стекает в ковш сливным патрубком. Таким образом обеспечивается циркуляция стали через камеру.

Подача аргона на разных уровнях с разным давлением повышает скорость циркуляции, интенсифицирующей дегазацию металла. Скорость циркуляции повышается при увеличении диаметра всасывающего патрубка и расхода аргона, достигая 100т/мин. В конце обработки металл раскисляют и легируют, усредняя химсостав еще в течение 2 мин.

Метод RH и конструкция агрегата позволяет в потоке аргона вводить порошкообразную смесь СаО+СаF2, обеспечивая высокую степень десульфурации уже при расходе смеси около 3 кг/т, потому что металл содержит минимальное количество поверхностно активного кислорода. Для компенсации затрат тепла, в камеру вдувают кислород, предусматривая в металле соответствующее превышение содержания углерода. Вариант такой технологии назван VOF процессом (Vacuum - oxygen - flux).

В RH процессе из-за большой поверхности излучения металлом увеличиваются потери тепла и ухудшаются условия работы графитовых нагревателей при попадании на них брызг металла. Поэтому на некоторых установках обеспечивается индукционный нагрев металла в патрубках. В целом дегазация и обезуглероживание в RH процессе обеспечивается до более низких остаточных содержаний углерода, водорода и азота.

Удельный расход аргона 0,1 мі/т, вакуум около 100 Па, длительность обработки 10-30 мин., она выше при дегазации нераскисленного металла.

Вакуумно-кислородное рафинирование.

Для интенсификации процесса обезуглероживания металла вакуумные установки дополняют устройствами для одновременной продувки ванны кислородом. При этом можно обеспечить особо высокую степень обезуглероживания. Для реакции:

[C] +0,5 {O2} = {CO} (9)

; откуда (10)

Равновесие реакции при вакуумно-кислородной обработке сдвигается вправо, а содержание углерода в металле тем ниже, чем меньше РСО, которое снижается в вакууме, и чем выше Ро ₂ которое повышается при продувке кислородом. Этот принцип положен в основу вакуум-кислородного обезуглероживания VOD процесс (от анг. Vacuum, Oxygen, Decarburisation).

Получение очень низких концентраций углерода особенно важно для ряда марок высокохромистой коррозионностойкой стали и некоторых специальных сталей. В обычных условиях обезуглероживание высокохромистых сталей сопровождается окислением хрома с образованием тугоплавких оксидов хрома, загущающих шлак. Предотвратить значительное окисление хрома можно: или повысив температуру процесса более чем до 1810?С, или при создании вакуума. В вакууме равновесие реакции:

(Cr2O3) + 3 [C ] = 2 [Cr] + 3{CO} (11)

для которой

и (12)

сдвигается вправо с уменьшением Рсо и хром не только не окисляется, но и восстанавливается из шлака. Поэтому в вакууме можно получить низкоуглеродистую сталь без заметных потерь хрома, обеспечивая дегазацию и снижение содержания неметаллических включений. Поскольку реакция (10) идет преимущественно на границе раздела фаз, ее интенсифицируют, перемешивая ванну вдуванием инертного газа. При этом также увеличивается поверхность газ-металл и снижается Рсо. Один из вариантов конструкции установки вакуумкислородного обезуглероживания показан на рис. 10.



Рис. 10. - Схема установки для обезуглероживания металла обдувом кислородом под вакуумом: 1 - бункер с вакуумным затвором для введения легирующих в ковш; 2 - фурма для подачи кислорода; 3 - вакуумная камера; 4 - ковш с металлом.

Кислород подается через водоохлаждаемую фурму 2, а аргон - через пористую (щелевидную) пробку снизу. Установка оснащена системой подачи легирующих материалов в ковш через вакуумный затвор.

В процессе используют полупродукт, выплавляемый в электродуговой печи с продувкой ванны кислородом. Металл обезуглероживают не более чем до 1%, окисляя кремний почти полностью. Металл без шлака выпускают в ковш, присаживая известь и плавиковый шпат. Ковш устанавливают в вакуумную камеру, понижают давление до 18-26 кПа и начинают продувку кислородом, продолжая ее около часа с понижением давления до 4-10 кПа. Затем давление снижают до 100 Па, увеличивая подачу аргона. Для восстановления хрома и марганца из шлака присаживают ферросилиций, а для десульфурации - известь и плавиковый шпат.

В процессе VOD содержание углерода снижается до 0,01%, азота до 0,01%, серы до 0,001%. Степень усвоения хрома до 98%, никеля и молибдена до 99%, марганца и ниобия до 95%, алюминия и титана до 90%.

Переработку хромсодержащего полупродукта производят также в специальном конверторе, рис. 11, имеющем больший объем рабочего пространства.

Рис. 11. - Вакуумный конвертер для рафинирования высокохромистых сталей: 1 - глуходонный конвертер; 2 - фланец; 3 - крышка; 4 - уплотнительная прокладка; 5 - вакуумпровод; 6 - фурма для продувки аргоном.

Технологический процесс аналогичный процессу VOD, но основные показатели VODK процесса выше, чем VOD процесса.

8. Получение стали со сверхнизким содержанием углерода.

Достаточно низкое содержание углерода в стали обеспечивается в процессах VODK, VOF и VOD. Для получения еще более низких содержаний углерода в стали японскими фирмами предложено несколько технологий. В процессе REDA используется донная продувка стали аргоном в агрегате DH - вакууматоре с увеличением диаметра погружного патрубка (или только диаметра нижней его части). Достигается снижение углерода до 3?10^-6%.

Примером комплексной технологии для получения очень низких содержаний углерода в стали служит использование агрегата VCR (Vacuum converter refiner). Процесс предназначен для выплавки нержавеющей стали с ничтожными концентрациями углерода и азота, процесс организуется в две стадии: на первой стадии аргонокислородной продувкой углерод окисляется до 0,1%; на второй стадии горловину конвертера закрывают герметично крышкой и вакуумируют металл, перемешивая инертным газом. В конце обработки присаживается ферросилиций, продолжая в течение 5 мин продувку аргоном. Получают нержавеющую сталь с суммарным содержанием углерода и азота на уровне 0,00016%.

С помощью комплексной технологии при выплавке в ДСП полупродукта из первородной шихты, вакуумировании его и доводке на агрегате ковш-печь получают сталь для автомобилестроения. Нормированное количество титана в стали позволяет полностью исключить наличие свободных атомов внедрения (углерода и азота), что существенно повышает пластические свойства. Такая сталь названа ULC (ultra low carbon) или IF-сталь. Эту сталь разливают и подогревают перед прокаткой в атмосфере аргона.

2. Обработка металла в ковше инертными газами

сталь металл вакуум флотация

Эффективность продувки стали инертным газом в 1943 г. теоретически обосновал В.З. Геллер. В 1956 г. Г.Н. Ойкс опробовал продувку стали в электрических печах. В 1966 г. в Англии был выдан патент на продувку нейтральными газами металла в ковше через пористые пробки днища ковша. В 1973 г. в СССР за разработку и внедрение продувки стали аргоном И.П. Бармотину и др. была присуждена Государственная премия. Сейчас это наиболее востребованный способ внепечной обработки стали. в качестве нейтрального газа чаще всего применяется аргон. Это одноатомный газ, состоящий из смеси изотопов Ar³⁶, Ar³⁸ и Аr⁴⁰ со средней атомной массой 39,948 и плотностью 1,78 кг/мі. Содержание аргона в воздухе составляет 0,932% или 0,32 л/мі. Запасы аргона неисчерпаемы. Получают аргон на установках разделения воздуха, используя различные температуры конденсации. Температура кипения кислорода - минус 183?С, аргона - минус 186?С, азота - минус 196?С.

Аргон - элемент восьмой группы таблицы Менделеева, полностью нейтрален, без запаха и цвета, не образует никаких химических соединений. Удельная теплоемкость аргона 520 Дж/(кг^. град), поэтому он лишь незначительно охлаждает металл при продувке. Несмотря на нейтральность аргона, имелись случаи удушья людей, когда аргон вытеснял из приямков воздух (на МНЛЗ Череповецкого МК).

В некоторых странах для обработки стали наряду с аргоном применяют гелий. Гелий также элемент восьмой группы, одноатомный нейтральный газ с атомной массой 4,003, плотностью 0,18 кг/мі, удельной теплоемкостью 5,24 кДж (кг^. град). Содержание гелия в воздухе около 5?10^{- 4}%. Гелий накапливается в недрах земли в результате некоторых реакций радиоактивного распада. Значительными его запасами располагают США. При его использовании может возникнуть опасность из-за вытеснения воздуха из подпотолочных пространств.

Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов, можно применять осушенный азот. Плотность азота 1,25 кг/м ³, удельная теплоемкость 1,03 кДж/(кг^. град), содержание в воздухе 78,2%. Азот иногда используется для продувки сталей с повышенным содержанием поверхностно активных кислорода и серы, которые блокируют растворение азота в металле.

2.1 Устройства для подачи газа в сталь

В цех газ подают по трубопроводам от центрального источника снабжения. Продувку ведут на стендах, оборудованных регулирующими устройствами, приборами для контроля давления и расхода газа, измерения температуры металла, отбора проб и пр. Ковш оснащают специальной крышкой для локализации вредностей. Футерованные крышки снижают потери тепла металлом, уменьшая облученность персонала и оборудования.

Ввиду большой сложности процессов взаимодействия газов с металлом в ковше, конструкции устройств и режимы продувки сначала изучаются на прозрачных моделях, а затем совершенствуются в реальных условиях. В зависимости от поставленной цели для подачи газов непосредственно в металл применяются различные устройства по сложности и надежности.

1. Погружные фурмы. Эти устройства применяют при подводе аргона сверху. Фурма состоит из стальной трубки с наружным диаметром до 60 мм и внутренним диаметром 8-35 мм. Футеруют фурмы высокоглиноземистыми огнеупорными трубками. Придание торцевой части фурмы щелевидного или серповидного сечения позволяет измельчать газовые пузыри и увеличивать интенсивность продувки. Еще мельче пузыри при использовании фурм с пористыми наконечниками. При давлении газа 0,2-0,8 МПа расход его составляет 20-200 м ³/час. Верхний предел ограничивается предотвращением выбросов металла за борт ковша и оголением его от шлака. Схема установки для заглубления фурмы в металл ковша, рис.12 предусматривает жесткую направляющую конструкцию, предотвращающую выброс фурмы из металла, так как ее усредненная плотность значительно ниже плотности металла. Эффективность обработки металла повышается при смещении фурмы от стенки ковша на 0,3-0,5 его радиуса и при погружении фурмы на глубину до 200-1200 мм от футеровки днища.

...