Развитие и современное состояние вакуумной обработки стали

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Мировая черная металлургия за последние два десятилетия претерпела существенные изменения, связанные с уменьшением затрат на производство стали, снижением отрицательного воздействия на окружающую среду, повышением качества продукции и освоением новых ее видов.

Постоянное повышение требований к высококачественным сталям и сплавам относительно их чистоты, низкого содержания растворенных газов и микроэлементов, а также узкие аналитические допуски заставляют металлургов всего мира совершенствовать новые технологии. Новые технологические разработки должны одновременно повышать экономичность производства.

Увеличение добавленной стоимости продукции, за счет повышения качества выплавляемой стали и выпуска марок сталей специального назначения является целью инвестиций большинства современных металлургических предприятий в строительство агрегатов для внепечной и вакуумной обработки, непрерывной разливки, как при модернизации действующих, так и при строительстве новых производственных мощностей.

В последние годы в условиях значительного улучшения финансового положения отраслей - основных потребителей трубной продукции, а также с усилением конкуренции на трубном рынке, особую значимость приобретает качество и потребительские свойства труб, что в конечном итоге и определяет наряду с себестоимостью конкурентоспособность трубной продукции.

В этой связи перед трубными предприятиями встает проблема переориентации на производство качественной стали с коренной реконструкцией и модернизацией сталеплавильных мощностей.

Усиление конкуренции на внутреннем рынке трубной продукции, направленность на производство импортозамещающей продукции ставит перед предприятиями отрасли задачи сдвига структуры производства в сторону выпуска продукции с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

В связи с неуменьшающимся в условиях экономического кризиса спросом на качественный трубный металл перед предприятиями встает вопрос об увеличении выпускаемой продукции за счет полного использования производственных мощностей, рационального выбора и размещения оборудования.

1. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Все возрастающие требования к качеству стали, а также необходимость повышения производства и снижения расходов по переделу привели к тому, что сталеплавильные агрегаты во все большей мере используются для расплавления, а металлургические задачи по доводке и рафинированию металла, если не считать дефосфорацию, стали решаться вне печи, в ковше или специально приспособленном агрегате. Так возникла ковшовая, или вторичная, металлургия.

Ранним способом ковшовой металлургии можно считать внепечную обработку стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. В 1933 г. для такой обработки Перрен использовал шлаки из извести и плавикового шпата, которые предварительно расплавляли в однофазной электродуговой печи и сливали в ковш перед выпуском стали. Перемешивание струи стали со шлаком в ковше при выпуске вело к быстрому снижению содержания серы и снижению загрязненности стали оксидными включениями. В этом процессе одновременно решаются вышеуказанные важнейшие задачи современной ковшовой металлургии, хотя он из-за высоких затрат на предварительное расплавление шлака и трудности управления не нашел широкого применения. В измененной форме процесс используется в тех случаях, когда сталь выпускают из электродуговых печей совместно с восстановительным шлаком.

Решающим толчком к развитию ковшовой металлургии послужило создание в 50-х годах крупных промышленных установок вакуумирования стали. Дальнейший успех был связан с разработкой способов внепечной обработки стали при атмосферном давлении, которые смогли решить некоторые металлургические задачи.

Как многие технические новшества, так и современные способы внепечной обработки стали при пониженном давлении были уже давно предложены и запатентованы. Однако их осуществление сдерживалось в значительной степени тем, что отсутствовали необходимые технические предпосылки, особенно высокопроизводительные вакуумные насосы.

Так, Г. Бессемер опубликовал в 1865 г. патент о литейной форме, находящейся под вакуумом, в которую жидкая сталь втекает под действием атмосферного давления (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Способ Г.Бессемера по заливке стали в литейную форму, находящуюся под вакуумом

Р. Айткен предложил в 1882 г. способ дегазации, изображенный на рисунке 1.2: патрубок, расположенный в нижней части футерованной вакуумной камеры, вводится в расплав, находящийся в разливочном ковше.

Рисунок 1.2 - Способ Р.Аиткена по вакуумной дегазации стали порциями: 1 - цепи; 2 - патрубок, ведущий к вакуумному насосу; 3 - опускаемая вакуумная камера; 4 - первоначальный уровень металла в ковше

При откачивании атмосферы из камеры порция металла под действием атмосферного давления затекает в нее. После того как порция металла обработана, она вытекает через патрубок обратно в ковш. Процесс продолжается до тех пор, пока вся находящаяся в ковше сталь не будет обработана.

В 1883 г. Р.Г. Гордон получил патент на способ отливки слитков в вакууме.

Согласно патенту, полученному Е. Меем в 1897 г., разливка стали по многим изложницам, расположенным по кругу в вакуумной камере, осуществляется под вакуумом за счет перемещения поворотного желоба (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Способ Е.Мея по отливке слитков при пониженном давлении: J - вакуумная камера; 2 - крышка камеры; 3 -- гляделки; 4 - поворотный разливочный желоб; 5 -- отверстие для заливки стали: 6 - изложницы

вакуумный сталь внепечной циркуляционный

Т.Уайрайт в 1888 г. предложил способ обработки жидкой стали вакуумом в потоке (рисунок 1.4). Способ осуществляется в агрегате, имеющем на обоих концах U- образные патрубки. Расплав подается со стороны А. Полость В агрегата находится под вакуумом. Атмосферное давление заталкивает расплав в полость В, где расплав дегазируется и вытекает со стороны С. Движение расплава через вакуумную камеру осуществляется за счет разности уровней зеркала металла в приемном патрубке А и сливном патрубке С (в последнем он более низкий). Для снижения тепловых потерь было предложено вакуумную камеру предварительно подогревать газом.

Рисунок 1.4 - Способ Т.Уайрайта по непрерывной дегазации стали в U-образном агрегате

В 1931 г. Е. Вильямс предложил (рисунок 1.5) в принципе аналогичный способ непрерывной вакуумной обработки стали. Однако дополнительно в подъемный рукав 4 необходимо подавать газ. Плотность газометаллической эмульсии в нем ниже, чем исходного металла, поэтому уровень зеркала металла в вакуумной камере 6, поступающего через подъемный рукав, выше, чем уровень зеркала дегазированного металла в спускном рукаве 7. Разница уровней металла в ковше 1, в котором находится металл, подлежащий обработке, и ковше 2, в который стекает обработанный металл, а также разница уровней зеркала металла в подъемном и спускном рукаве в вакуумной камере являются движущейся силой перемещения металла.

На рисунке 1.6 показан один из вариантов метода вакуумной обработки Е.Вильямса, в котором подъемный и спускной рукава расположены концентрически.

Рисунок 1.5 - Способ Е.Вильямса по непрерывной дегазации стального расплава с использованием транспортирующего газа: 1 - ковш с металлом, подлежащим обработке; 2 - ковш с металлом, прошедшим вакуумную обработку; 3 - подача газа; 4 - подъемный рукав; 5-патрубок откачки газа; 6 - вакуумная камера; 7 -спускной рукав

Рисунок 1.6 - Способ Е.Вильямса с концентрическим расположением подъемного и спускного рукавов: 1 - ковш с металлом; 2 - подъемный рукав; 3 - спускной рукав; 4 - вакуумная камера; 5 - подача газа

В 1938 г. Л. Маре запатентовал способ вакуумной обработки, изображенный на рисунке 1.7. Жидкий металл из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, откуда вытекает в вакуумную камеру. В этой камере находится второй разливочный ковш, в котором собирается металл, обработанный в струе.

Рисунок 1.7 - Способ дегазации стали по патенту Л.Маре (патент США № 2253421)

В 1949 г. Ф.Б. Уэлдрон предложил процесс вакуумной дегазации стали (рисунок 1.8), в котором вакуумная камера, находящаяся между двух электродуговых печей, имеет индукционный подогрев металла.

Рисунок 1.8 - Производство стали с вакуумной дегазацией (предложение Ф.Б.Уэлдрона)

Впервые вакуумные установки были использованы на производстве в 1954г. пуском в строй установки по вакуумированию стали в струе и при отливке слитков под вакуумом. В 1962г. этот способ был трансформирован в способ обработки струи стали при выпуске. В короткое время были созданы другие промышленные способы вакуумной обработки стали: в 1956г. был осуществлен способ порционной обработки стали, а в 1959г. - циркуляционный. Точно так же с 1956г. известен метод ковшового вакуумирования, который в дальнейшем был усовершенствован за счет принудительного перемешивания расплавленной стали путем продувки аргоном или использования электромагнитных полей.

Метод ковшового вакуумирования послужил основой для разработки других способов, таких как продувка расплавленной стали кислородом при пониженном давлении (процесс VOD); обработка в ковше с электродуговым подогревом при пониженном давлении и перемешиванием стали аргоном (процесс VAD), а также с электродуговым подогревом при атмосферном давлении и электромагнитном перемешивании металла (процесс ASEA-SKF); кислородная продувка металла в ковше и электродуговой подогрев (процессы VFH и ASEA-SKF).

Помимо процессов вакуумной обработки, были разработаны также другие способы вторичной металлургии. Это в первую очередь уже упомянутая продувка металла газом с целью его перемешивания. Этот способ ковшовой металлургии вызван необходимостью получения однородной температуры металла при его непрерывной разливке. Следующая ступень этого способа - вдувание твердых реагентов с помощью аргона в металл в ковше с целью его десульфурации. Узкое место внепечной обработки стали - низкая стойкость стопоров сталеразливочных ковшей - было устранено при замене стопоров шиберными затворами.

К процессам вторичной металлургии относится также додувка жидкой стали в конвертере. Содержание углерода в стали может даже при атмосферном давлении быть понижено до весьма низких пределов, если удается получить низкое парциальное давление СО за счет вдувания достаточно большого количества инертного газа, так как в пузырях этого газа в первоначальный момент времени парциальное давление СО равно нулю. При таком способе работы в ковшах существовала бы опасность выбросов. Для глубокого обезуглероживания наиболее подходит конвертер, в который заливают расплавленную сталь и продувают смесью аргона и кислорода, подаваемой вблизи днища конвертера (процесс AOD), или смесью водяного пара и кислорода, подаваемой через днище конвертера (процесс СLU).

Обзор процессов вторичной металлургии представлен на рисунке 1.9. Кислородно-конвертерный процесс как процесс первичной металлургии для получения стали из чугуна или чугуна и скрапа получил новое развитие с созданием способа ОВМ. В процессе ОВМ струя кислорода, окруженная углеводородами, подается через сопла в днище конвертера. С кислородом одновременно подаются шлакообразующие материалы в порошкообразной форме. Сопла в днище конвертера используются также для вдувания в металл инертного газа. Этим реализуется возможность осуществления промывки металла газом независимо от реакции окисления углерода.

Вместе с инертным газом в расплав можно вводить вещества, обладающие высоким сродством к кислороду, например углерод. В этом случае окисление углерода до СО ведет к нагреву расплавленной стали. Последующее дожигание СО над металлом в полости конвертера за счет подачи туда кислорода усиливает этот эффект. Из-за хорошего перемешивания всех реагентов реакции протекают в конвертере ОВМ быстро и глубоко. Большой удельный объем конвертера позволяет осуществлять операции практически при любых скоростях. Вместе с тем в этом процессе отсутствуют важнейшие элементы вторичной металлургии, такие как длительная продувка инертным газом, вдувание реагентов для десульфурации и модифицирования стали, возможность дополнительного подогрева и т.д.

Рисунок 1.9 - Процессы вторичной металлургии: 1 - процессы при атмосферном давлении; 2 - продувка металла через дно ковша; 3 - продувка металла через стенку ковша; 4 - продувка металла в ковше с помощью фурмы; 5 - вдувание в металл твердых реагентов; б - конвертерные процессы с продувкой металла инертным газом (процесс AOD); 7 - процессы при пониженном давлении; 8 - продувка кислородом под вакуумом (процесс VOD); 9 - метод перелива из ковша в ковш; 10 - вакуумирование стали в ковше; 11 - комбинация электродугового подогрева с продувкой инертным газом под вакуумом; 12 -электромагнитное перемешивание под вакуумом; 13 - процессы вакуумной обработки порций металла

1.2 Современное состояние вакуумной обработки стали

В современной практике сталеплавильного производства вакуумная обработка (дегазация) является важным этапом технологического процесса на стадии внепечной обработки стали. Широкое использование этой операции вызвано непрерывным повышением требований к качеству и свойствам металла, расширению марочного сортамента.

На сегодняшний день существуют различные варианты вакуумной обработки, из которых наибольшее распространение получило ковшовое вакуумирование - процесс VD/VOD (Vacuum Degassing /Vacuum Oxygen Decarburization) и циркуляционное вакуумирование - процесс RH (Ruhrstahl-Heraeus)

1.2.1 Процесс VD/VOD

Схема вакуумной обработки жидкой стали с использованием установки циркуляционного вакуумирования показана на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10 - Общая схема камерного вакууматора VD/VOD: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - вакуумная камера; 3- крышка вакуумной камеры; 4 - кислородная фурма; 5 - устройство для подачи сыпучих под вакуум

В период с 1990 по 2000 гг. в мире введены в эксплуатацию около 120 агрегатов вакуумирования стали, из которых около 65% являются ковшевыми. Среди вновь строящихся агрегатов эта тенденция сохраняется: начиная с 2000 г. создано или намечено к пуску в ближайшие годы более 90 агрегатов для обработки плавок массой от 30 до 330 т. При этом ковш с обрабатываемым металлом или непосредственно накрывают вакуумплотной крышкой, или (чаще всего) размещают в специальной вакуумной камере, накрываемой герметичной теплозащитной крышкой. Такие агрегаты в современной специальной литературе встречаются под названием камерные. Однако ход протекания технологического процесса, достигаемые результаты, основные преимущества и возникающие проблемы не зависят от способа герметизации рабочего пространства и типа ковшевого вакууматора. Оба варианта доказали свою эффективность и применимость на практике, однако наибольшее распространение получили вакууматоры камерного типа. Применение вакуумплотных крышек, устанавливаемых на фланец борта ковша, не получило распространения, так как требует обеспечения чистоты сопрягаемых фланцев от настылей шлака и металла, что трудно осуществить в производственных условиях.

Широкое распространение ковшевых вакууматоров объясняется их относительной простотой, хорошей встраиваемостью в существующие производственные условия, широким спектром технологических возможностей, включающих дегазацию, удаление неметаллических включений, эффективное многокомпонентное легирование с высокой точностью достижения заданного химсостава и высокой степенью усвоения легирующих, глубокое обезуглероживание и десульфурацию стали.

Сущность процесса рафинирования заключается в вакуумировании и обработке высокоосновным шлаком поверхностных слоев металла, непрерывно обновляемых при газодинамическом перемешивании ванны путем вдувания инертного газа (преимущественно аргона) через донные фурмы.

Создание вакуума над поверхностью расплава и одновременная продувка аргоном вызывают бурное вспенивание и подъем металла и шлака, интенсивность которого определяется скоростью набора вакуума, его глубиной, расходом аргона и степенью окисленности металла. Во избежание чрезмерного подъема шлако-газо-металлической смеси и перелива ее через борт сталеразливочного ковша вынужденно снижают скорость набора вакуума и интенсивность продувки аргоном, а над расплавом предусматривают запас свободного борта ковша, существенно увеличенный по сравнению с номинальным наливом. Запас свободного борта для различных вариантов технологического процесса независимо от массы обрабатываемой плавки для ковшевого вакуумирования методом VD составляет 0,8--1,0 м.

Увеличение высоты свободного борта может быть достигнуто путем увеличения общей высоты ковша или путем уменьшения массы металла в ковше. В первом случае нерационально увеличивается масса ковша и потребная грузоподъемность литейного крана. Кроме того, верхняя кромка ковша, поднятого над разливочным стендом MHЛ3, как правило, определяет общую высоту здания, поэтому при строительстве новых цехов требуются существенные дополнительные капитальные затраты.

Поэтому единственным реальным путем обеспечения запаса свободного борта для ковшевых вакууматоров в существующих производствах остается вынужденное уменьшение массы металла в ковше, которое влечет существенные потери производительности вакууматора и всего сталеплавильного цеха, отрицательно сказывается на себестоимости и конкурентоспособности продукции.

Еще одним недостатком ковшевого вакуумирования является то, что рафинировочные процессы могут хорошо развиваться только в относительно тонкой поверхностной активной зоне ковша, а мощность естественного перемешивания недостаточна для подъема находящегося ниже металла. При вакуумном рафинировании крайне важно обеспечить хорошее перемешивание ванны, так как оно улучшает кинетику процесса дегазации и улучшает взаимодействие металла со шлаком.

С целью повысить эффективность агрегатов ковшевого вакуумирования, с помощью решения проблемы «свободного борта» ковша и осуществления более мощного перемешивания предлагается использование нового процесса VDF (Vacuum Degassing Full), сочетающего в себе преимущества циркуляционного RH и камерного VD.

Процесс VDF основан на принципе локализации объема дегазируемого металла, реализуемом установкой реакционной камеры с разделением пространства вакуумной камеры на две зоны с различной степенью разрежения. Это позволяет проводить дегазацию металла исключительно в объеме реакционной камеры (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 - Принципиальная схема процесса VDF/VODF

Принцип действия устройства основан на использовании реакционной камеры с мембраной, опирающийся на фланец вакуум-камеры. В процессе вакуумирования в результате подъема уровня газошлакометаллической эмульсии происходит образование гидравлического затвора, разделяющего полости вакуумной камеры на две зоны с различной степенью вакуума (зоны I и II). В результате поднимающаяся шлакометаллическая эмульсия, которая при обычной технологии ковшового вакуумирования VD/ VOD в случае обработки полного ковша неизбежно переливается через его борт, локализуется в дополнительном объеме камеры. При этом по периметру камеры идет интенсивная циркуляция металла по направлениям 1-2-3-4 (рисунок 1.11), и рафинирование производится по всему объему, время обработки снижается.

1.2.2 Процесс RH

Известны следующие модификации вакууматоров RH:

1. RH-TOP/RH-KTB Kawasaki Top Blowing);

2. RH-OB (Oxygen Blowing);

3. RH-PB (Powder Blowing);

4. RH-Inj (Injection).

Схема вакуумной обработки жидкой стали с использованием установки циркуляционного вакуумирования показана на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Схема реакционной зоны процесса RH

Установка состоит из футерованной огнеупорами вакуум-камеры и двух прикрепленных к днищу этой камеры погружных патрубков (вводной и выводной). Оба патрубка футерованы изнутри огнеупорным кирпичом, а нижние участки имеют и наружную футеровку. Вводной патрубок в нижней части оборудован инжекционными газовыми трубками, равномерно распределенными по его периметру.

Процесс вакуумирования начинается после погружения обоих патрубков в расплав на достаточную глубину. Перед погружением через инжекционные трубки вводного патрубка начинают вдувать инертный газ, обычно аргон. По достижении требуемой глубины погружения расплав откачивают из камеры с помощью вакуумного насоса, связанного с вакуум-камерой посредством отводящего трубопровода. Плотность жидкой стали принимают равной 6,94 т/м3 при температуре 1600°С. Атмосферное давление, действующее на поверхность расплава в ковше, вынуждает сталь подниматься по погружным патрубкам на барометрическую высоту, равную примерно 1,45 м, под глубоким вакуумом.

Основными недостатками циркуляционного вакуумирования, помимо высоты вакуум-камеры, которая может достигать 10 метров, считаются большая величина тепловых потерь, скорость охлаждения составляет 3-4,5°/мин и низкая стойкость футеровки вакуум-камеры.

Для компенсации тепловых потерь используют подогрев вакуум-камеры до температуры не ниже 1500°С.

Таким образом, наиболее эффективными путями увеличения эффективности циркуляционного вакууматора являются повышение стойкости огнеупоров и степени эксплуатационной готовности оборудования за счет сокращения или исключения простоев, связанных с ремонтом и заменой вакуум- камеры и ее частей. Так как полная замена вакуум- камеры сопровождается тепловыми потерями, а рабочая температура футеровки должна быть не ниже 1500 °С, то задержка при смене вакуум-камеры вызывает дополнительные простои, связанные с компенсацией тепловых потерь.

Поэтому разработаны и применяются на практике различные варианты многопозиционных циркуляционных вакууматоров с резервными позициями, в которых вакуум-камера находится в полностью подготовленном состоянии в непосредственной близости от места обработки.

С целью дальнейшего сокращения продолжительности замены вакуум-камеры во ВНИИметмаш был разработан вариант конструкции вакууматора, не требующего оперативного отсоединения отработавшей вакуум-камеры и подключения новой, так как обе вакуум-камеры, смонтированные на общей поворотной платформе, находятся в полностью готовом состоянии и их смена производится простым поворотом платформы. Каждая вакуум-камера снабжена питателем и вакуумным затвором, который расположен на поворотном участке вакуум-провода, соединенном со стационарным вакуум-проводом с помощью герметичного шарнирного соединения. Данная конструкция обеспечивает минимальное время установки подготовленной вакуум-камеры в рабочее положение.Размещено на Allbest.ru