yandex.metrica
Внепечная обработка стали

Вакуумирование стали

Идея использования вакуума при выплавке стали была высказана еще Г. Бессемером в XIX в., но в промышленных масштабах начали широко применять его только с начала 50-х годов XX в. после создания пароэжекторных вакуумных насосов, имеющих высокую производительность и обеспечивающих глубокий вакуум.

В современной сталеплавильной практике диапазон применения вакуумирования весьма широк. Во-первых, оно является обязательным элементом технологии ковшевой обработки металла, которая широко применяется при производстве качественных сталей массового назначения. Во-вторых, при производстве в небольших объемах сталей специального (особо ответственного) назначения под вакуумом проводят как выплавку, так и разливку стали.

При выплавке сталей массового назначения вакуумированием решают следующие основные задачи:

  • Удаление из металла водорода до остаточного содержания его не более 1,5-2 мл/100 г, при котором исключается образование внутренних трещин (флокенов) в твердой стали.
  • Вакуумно-углеродное раскисление стали.
  • Глубокое обезуглероживание металла, когда углерод является вредной примесью (получение остаточного содержания углерода менее 0,01%, в пределе не более 0,001-0,002%).

Из многочисленных способов, предложенных в разных странах, наибольшее промышленное применение имеют два – порционный и циркуляционный способы, разработанные в Германии, а также практическое применение имеет струйное вакуумирование, впервые промышленно освоенное в СССР при отливке крупных слитков, имеющих массу до 100 т и более.

Порционный способ вакуумирования стали

Порционный способ вакуумирования стали был разработан и промышленно освоен в 1956 г. западно-германской фирмой “Дартмунд Хердер Хюттенюнион”. Обычно его называют способом ДН. Принципиальная схема конструкции установки и ее работа показаны на рис. 112а.

Схемы работы установок порционного (а) и циркуляционного (б) ва­ куумирования

Металл засасывается в вакуумную камеру порциями через огнеупорный патрубок, нижний конец которого постоянно находится в металле. Засасывание металла происходит благодаря разности давлений на расплав в открытой части ковша и в вакуумной камере. Из физики известно, что при полном вакууме и внешнем давлении в 1 ат ртуть, имеющую плотность 13,6 г/см3, можно поднять на 760 мм (ртутный барометр), а воду, имеющую плотность 1 г/см3, на 10 м. Жидкое железо имеет плотность около 7 г/см3, следовательно, его можно поднять на 1,43 м. Полного вакуума в вакуумной камере не бывает, поэтому можно считать, что жидкое железо с помощью вакуума можно максимально поднять на 1,4 м.

Эту величину учитывают при установлении параметров конструкции вакуумной камеры, которая должна обеспечивать засасывание в один прием 10-12% метала от общей массы его в
ковше.

Слив металла обратно в ковш осуществляется увеличением расстояния между ковшом и вакуумной камерой, для чего или поднимают вверх вакуумную камеру, или опускают вниз ковш. Обычно вариант перемещения ковша принимают при его вместимости менее 100 т. Если же масса металла в ковше больше, то перемещают вакуумную камеру. Последний вариант является более распространенным.

Один цикл, обеспечивающий всасывание и слив, обычно продолжается 15-30 с. Общая продолжительность вакуумирования определяется количеством циклов, которое зависит от коэффициента (показателя) циркуляции, выражающего отношение суммарной массы металла, прошедшей через вакуумную камеру, к массе стали в ковше. Средняя величина коэффициента циркуляции обычно равна пяти, т.е. через вакуумную камеру необходимо пропустить металл пять раз. Обычно конкретное требуемое значение его устанавливают экспериментально применительно к конкретной вакуумной установке, определенной группе вакуумируемых марок сталей и решаемой главной технологической задаче.

Если принять, что каждый цикл обеспечивает всасывание 10% металла, находящегося в ковше, то для одного пропуска его через вакуумную камеру необходимо 10 циклов. При коэффициенте циркуляции пять общее число циклов потребуется 50. Следовательно, продолжительность вакуумирования составит до 25 мин. В случае глубокого обезуглероживания может возникнуть необходимость довести коэффициент циркуляции до 10 и более, поэтому продолжительность вакуумирования может составить до 40-50 мин. Но это может привести к чрезмерному охлаждению металла.

Эффективность вакуумирования стали любым способом в большой степени зависит от разрежения в камере, т. е. от остаточного давления газов в ней, которое зависит от типа и производительности вакуумных насосов, а также от времени вакуумирования. В начале процесса, когда газовыделение из металла энергичное, остаточное давление относительно высокое, а в конце процесса оно минимально и обычно составляет 0,5 мм рт.ст. (0,067 кН/м2). Лучшие вакуумные насосы обеспечивают конечное давление 0,1-0,2 мм рт. ст.

Циркуляционный способ вакуумирования

Циркуляционный способ вакуумирования был опробован в производственных условиях в 1959 г. фирмой “Руршталь Гереус”, часто его сокращенно называют способом RH. Этот способ по конструкции устройства и гидродинамическим условиям взаимодействия металлической и газовой фаз является более совершенным, чем порционный способ, поэтому он имеет большее распространение.

Принципиальная схема работы установки циркуляционного вакуумирования показана на рис. 112б. Вакуумная камера имеет два патрубка – всасывающий (подъемный) и сливной. В рабочем положении нижние концы обоих патрубков погружаются в металл, а камера остается неподвижной. Донная часть ее должна находиться на таком расстоянии от уровня металла в ковше, чтобы было обеспечено затопление этой части металлом при создании разряжения в камере. Циркуляция металла ковш-камера-ковш обеспечивается благодаря подаче в подъемный патрубок аргона, пузыри которого, разрыхляя металл, снижают его плотность в патрубке, вызывая тем самым всасывание дополнительного количества металла, вызывающего повышение его уровня в камере. По достижении определенного уровня (несколько более 1,4 м над уровнем в ковше) плотный металл вытекает по сливному патрубку в ковш, поскольку имеет большую плотность.

Скорость циркуляции металла зависит от создаваемого в камере разряжения, диаметра всасывающего патрубка и расхода аргона. Обычно эти параметры выбирают так, чтобы через вакуумную камеру можно было пропустить весь металл один раз за 3-5 мин. Следовательно, при коэффициенте циркуляции пять продолжительность вакуумирования будет составлять 15-25 мин.

Из практики известно, что при циркуляционном вакуумировании продолжительность обработки металла в ковше можно уменьшить по сравнению с порционным вакуумированием, не ухудшая, даже улучшая конечные показатели. Этому в немалой степени способствует обработка металла аргоном во всасывающем патрубке. Циркуляционное вакуумирование – это по существу комбинированная вакуумно-аргоновая обработка стали в ковше.

Следует особо подчеркнуть, что в способах порционного и циркуляционного вакуумирования в классических вариантах, описанных выше, кинетические условия взаимодействия металлической и газовой фаз являются явно недостаточными для реализации термодинамических возможностей. Об этом свидетельствует сопоставление данных, полученных термодинамическими расчетами, с фактическими данными, наблюдаемыми в производственных условиях по обезуглероживанию металла.

Равновесные соотношения содержаний углерода и кислорода в металле для температуры 1600°С несколько упрощенно могут быть описаны простым уравнением [C] · [O]=0,0025PCO, где PCO – парциальное давление CO в газовой фазе, которое в случае вакуумирования можно принять равным остаточному давлению в вакуумной камере (ат). Указанное уравнение графически представлено на рис. 113.

Как указывалось выше, современные вакуумные установки обеспечивают остаточное давление 0,5 мм рт. ст., т. е. менее 0,001 ат. Следовательно, можно принять, что PCO ≤0,001 ат.

Остаточное содержание углерода в металле в конце окислительного рафинирования обычно составляет менее 0,05%, ввиду чего фактическое содержание кислорода более 0,10%. При вакуумировании концентрации углерода и кислорода в металле снижаются благодаря протеканию реакции [C]+[O]={CO}, но остаточное содержание кислорода всегда составляет не менее 0,02% (имеется в виду вакуумирование нераскисленной стали).

Зависимость равновесного остаточного содержания углерода в жидком железе от остаточного содержания кислорода и парциального давления СО в газовой фазе

Согласно рис. 113, при [O]≈0,02% и PCO ≈0,001 ат равновесное остаточное содержание углерода в металле должно составлять примерно 0,0001%. Практически же с очень большим трудом удается получать 0,001%, т. е. на порядок меньше.

Ввиду этого предпринимались шаги по созданию способов, улучшающих кинетические условия взаимодействия металлической фазы с газовой. Результатом является разработка способов вакуумирования в струйном режиме, когда жидкий металл дробится на мелкие капли, чем обеспечивается резкое увеличение поверхности контакта металла с газовой фазой, аналогично увеличению поверхности контакта пузырей аргона с металлом при уменьшении их диаметра.

Струйное вакуумирование при отливке крупных слитков

Схема ус­тановки для отливки крупных слитков в ва­куумеСтруйное вакуумирование при отливке крупных слитков было разработано в СССР, промышленно освоено на “Уралмашзаводе”, применяется широко при отливке крупных слитков массой до 100 т и более, обрабатываемых, как правило, ковкой. Разработка и промышленное освоение этого способа вакуумной обработки стали является принципиально новым шагом в повышении качества весьма ответственных крупных изделий, поэтому создатели его были отмечены Государственной премией.

Принципиальная схема установки показана на рис. 114. Изложница для приема металла помещается в вакуумную камеру. Металл из сталеразливочного ковша попадает в промежуточную емкость, представляющую большую воронку; через воронку металл попадает в вакуумную камеру, где разбивается на мелкие капли благодаря естественному газовыделению; капли металла, имеющие огромную удельную поверхность, взаимодействуют с газовой фазой (подвергаются воздействию вакуума) во время их падения. Кроме того, металл, находящийся в изложнице, тоже подвергается воздействию вакуума примерно так же, как при порционном вакуумировании.

Сталь для отливки крупных слитков обычно содержит углерода не менее 0,2%, нередко до 0,5% и даже выше. Поэтому при ее обработке вакуумом описываемым способом происходит не только глубокая дегазация, обеспечивающая полное устранение образования флокенов (опасного дефекта крупных слитков легированной стали), но и глубокое вакуумно-углеродное раскисление, результатом которого является весьма существенное снижение содержания оксидных неметаллических включений в слитке. В итоге наблюдается скачок в повышении качества стали и изделий из нее.

Это связано, во-первых, с тем, что улучшаются кинетические условия взаимодействия металла с газовой фазой, благодаря чему эффективность вакуумирования существенно повышается; во-вторых, весь эффект вакуумирования сохраняется (фиксируется в готовом металле). При порционном и циркуляционном вакуумировании часть эффекта этой операции теряется во время разливки стали. К сожалению, лишь малая доля (не более 5%, редко выше) производимой стали идет на отливку крупных слитков. Основная масса производимой стали разливается непрерывным способом с использованием явно малоэффективных способов порционного и циркуляционного вакуумирования. Учитывая это, в СССР в конвертерном цехе № 2 НЛМК была сделана попытка совместить струйное вакуумирование с непрерывной разливкой (А. с. 295607 СССР).

Струйное вакуумирование, совмещенное с непрерывной разливкой

Струйное вакуумирование, совмещенное с непрерывной разливкой, названное авторами поточным вакуумированием, по идее является способом, заслуживающим самого серьезного внимания. Принципиальная схема установки показана на рис. 115, которая вполне понятна без дополнительного пояснения.

Схема ус­тановки поточного вакуумирования

Проведенные производственные эксперименты показали, что при таком способе вакуумирования обеспечивается почти полная реализация термодинамических возможностей обезуглероживания металла. Кроме того, этот способ позволяет весьма существенно сократить время нахождения металла в ковше по сравнению с обычными способами вакуумирования, благодаря чему становится возможным выпускать металл из сталеразливочного агрегата с меньшим перегревом выше температуры плавления; почти полностью исключить вторичное насыщение металла газами во время разливки, неизбежное при вакуумной обработке обычными способами.

Основным недостатком рассматриваемого способа вакуумирования является необходимость увеличения расстояния между сталеразливочным и промежуточным ковшами, а это в действующих цехах практически невозможно.

По нашему мнению этот самый перспективный способ вакуумирования стали может быть полноценно реализован при изменении принципа подвода вакуумированного металла в промежуточный ковш.