Способы вакуумной обработки стали

В настоящее время в промышленных условиях применяют сле­дующие основные способы вакуумной обработки стали (рисунок 2):

- вакуумирование металла в ковше, помещенном в вакуумную ка­меру;

- вакуумирование металла отдельными частями (порциями) – порционное и циркуляционное вакуумирование;

- вакуумирование струи металла при технологических переливах (при переливе из ковша в ковш, при разливке в изложницы, на выпуске из сталеплавильного агрегата, при переливе из сталеразливочного ковша в промежуточный ковш МНЛЗ и др.);

- вакуум-кислородное обез­углероживание металла, при котором металл, находящийся под действием вакуума, продувают кислородом.

Наиболее простым вариантом вакуумирования является обработка металла в ковше, помещенном в вакуумную ка­меру (рисунок 2, а), в которой создается разрежение, способствующее удалению газов из расплава. В промышленных масштабах этот вариант вакуумирования был впервые опробован в 1953 году на Енакиевском металлургическом заводе. Поскольку действие вакуума на жидкую сталь с плотностью ~ 7 т/м³ распространяется на глубину не более 1,43 м, то при вакуумировании без принудительного перемешивания нижние слои металла дегазации не подвергаются. Поэтому эффективность этого способа обеспечивается только при перемешивании металла в ковше при помощи инертного газа (или электромагнитного поля), который подается через пористую пробку (расход 0,02-0,06 м³/т), установленную в днище ковша. Длительность вакуумирования при этом составляет обычно 25-30 мин (при общей длительности обработки до 50 мин). Недостатком этого варианта обработки является необходимость поддерживать уровень металла в ковше на ~ 1 м ниже уровня его верха («свободный борт») для предупреждения выбросов металла при кипении, что ограничивает массу обрабатываемого металла. Для решения проблемы свободного борта используют надставки различных конструкций.

Для вакуумной обработки больших масс металла используют способы порционного (DH-процесс) и циркуляционного (RH-процесс) вакуумирования, разработанные в Германии в 1956 и 1959 годах, соответственно. При циркуляционном вакуумировании (рисунок 2, б) два патрубка вакуумной камеры опускают в металл. При создании разрежения жидкая сталь поднимается в вакуумную камеру на определенную высоту (не более 1,4 м от уровня металла в ковше). Циркуляция металла между ковшом и вакуумной камерой обеспечивается благодаря подаче в подъемный патрубок аргона (через пористую огнеупорную вставку с расходом 0,5-1,5 м³/мин), разрыхляющего металл, в результате чего снижается плотность металла в патрубке, что вызывает всасывание в вакуумную камеру дополнительного количества металла. При этом, вследствие увеличения уровня металла в вакуумной камере, происходит вытеснение более плотного металла, который вытекает по сливному патрубку, а поступающая по подъемному патрубку газо-металлическая смесь (с пониженной плотностью) подвергается вакуумированию (дегазации). Скорость циркуляции металла зависит от разрежения в вакуумной камере, 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. Поскольку для эффективного вакуумирования необходимо 4-5 кратная обработка металла (коэффициент циркуляции), то общая продолжительность вакуумирования составляет 15-25 мин.

Рисунок 2 – Основные способы вакуумной обработки стали (обозначения в тексте)

При порционном вакуумировании (рисунок 2, в) металл под воздействием разрежения засасывается в вакуумную камеру порциями через футерованный патрубок, нижний конец которого постоянно находится в металле. Параметры камеры рассчитывают так, чтобы обеспечивать засасывание в один прием 10-12 % метала от общей массы его в ковше. После выдержки металла в камере под вакуумом, производят слив порции металла обратно в ковш, для чего или осуществляют подъем вакуумной камеры или опускают вниз ковш (при вместимости менее 100 т). Один цикл обработки (включая всасывание и слив металла) обычно продолжается 15-30 с, поэтому при 4-5 кратной обработке металла общая продолжительность вакуумирования не превышает 25 мин.

Недостатками порционного и циркуляционного вакуумирования являются сложность оборудования и низкая стойкость патрубков (до 100 плавок). Однако высокая эффективности и стабильность показателей, обеспечивают широкое распространение этих способов.

Наиболее благоприятные условия для рафинирования в вакууме складываются при обработке струи металла. Это объясняется тем, что струя жидкого металла, попадая в вакуум, раз­брызгивается, вследствие чего многократно увеличивается поверх­ность контакта «металл-разреженная атмосфера» и создаются очень бла­гоприятные условия для дегазации. Струйное вакуумирование осуществляется в процессе перелива или разливки металла по следующим вариантам:

- при переливе из ковша в ковш (рисунок 2, д);

- при разливке в изложницу (рисунок 2, е);

- на выпуске из сталеплавильного агрегата (рисунок 2, ж);

- при непрерывной разливке стали в процессе перелива из стальковша в промежуточный ковш машины непрерывного литья заготовок (рисунок 2, з).

Вакуумирование струи металла обеспечивает эффективное рафинирование стали, но связа­но со значительными технологическими и организационными затруднениями (несколько промежуточных емкостей) и большими потерями тепла (дополнительное снижение температуры от 15-20 °С при разливке в изложницы до 50-70 °С и более при переливах). Поэтому струйное вакуумирование применяется в промышленных масштабах только при отливке в изложницы крупных слитков для поко­вок (рисунок 2, е), что исключает повторное поглощение газов из атмосферы и образование флокенов.

Перспективным является организация одновременной дегазации металла и защиты от вторичного окисления (при минимальных потерях температуры 15-20 °С) при вакуумировании струи металла в процессе непрерывной разливки стали (рисунок 2, з), когда рафинирование струи проводится в проточной камере, которая размещена между сталеразливочным и промежуточным ковшами. Основным недостатком этого способа вакуумирования является необходимость увеличения расстояния между сталеразливочным и промежуточным ковшами, что невозможно в действующих цехах.

При других способах вакуумирования (в ковше) необходимо учитывать возможное повторное поглощение газов из атмосферы, для предотвращения которого поверхность металла в ковше защищают покровным слоем шлака, а разливку ведут «закрытой» струей или в среде инертного газа.

Общим недостатком различных способов вакуумирования стали является значительные потери температуры металла, которые, в зависимости от принятой технологии вакуумирования, могут изменяться от 20 до 100 °С, что необходимо учитывать при разработке технологии выплавки стали.

Кроме этого, при выборе варианта вакуумирования необходимо учитывать их технологические возможности по дегазации металла. Ориентировочные пределы удаления водорода различными способами вакуумирования составляют:

- при вакуумировании в ковше – 1,5-3,5 ppm (1,5-3,0 ppm для нераскисленного металла и 2,0-3,5 ppm для глубоко раскисленного металла);

- при порционном и циркуляционном вакуумировании – 1,0-2,5 ppm (1,0-2,0 ppm для нераскисленного металла и 1,5-2,5 ppm для раскисленного металла);

- при струйном вакуумировании – 0,5-2,0 ppm (0,5-1,5 ppm для нераскисленного металла и 1,0-2,0 ppm для раскисленного металла).

Таким образом, лучшие результаты достигаются при вакуумировании нераскисленного металла, при котором обеспечивается более интенсивное перемешивание. При этом, место вакуумирования в общей технологической цепи ковшевой обработки определяется в зависимости от решаемых задач:

- вакуумирование нераскисленной стали (кроме удаления водорода) обеспечивает снижение концентрации кислорода до 0,002-0,003 % в результате вакуумно-углеродного раскисления. В результате, при последующем глубинном раскислении металла образование первичных эндогенных включений, особенно силикатных, минимизируется. Поэтому проведение вакуумирования до раскисления рекомендуется при производстве стали с минимальным содержанием крупных оксидных включений. Однако такая технология не гарантирует получение низкого содержания газов (водород и азот) в готовой продукции, поскольку на следующих стадиях ковшевой обработки (раскисление-легирование, десульфурация, перемешивание и нагрев) возможно насыщение металла газами;

- вакуумирование раскисленного металла проводят, в первую очередь, доля удаления водорода и азота, а также удаления первичных неметаллических включений (после раскисления).

Отдельное место в технологии вакуумирования занимает вакуум-кислородное обез­углероживание металла (за рубежом – VOD-процесс – от англ. Vacuum, Oxygen, Decarburisation — вакуум, кислород, обезуглероживание), при котором нераскисленный металл, находящийся под действием вакуума, продувают кислородом (рисунок 2, г). Это создает благоприятные условия для протекания реакции обезуглероживания [С] + [О] = {CO} и обеспечивает глубокое обезуглероживание расплава (до [С] = 0,002-0,005 %) с одновременным удалением водорода.

Недостатком вакуум-кислородного обез­углероживания в ковше (рисунок 2, г) является необходимость иметь величину свободного борта не менее 0,8-1,0 м во избежание перелива металла и шлака через борт ковша при интенсивном кипении металла (протекании реакции [С] + [О] = {CO}). Эта проблема решается при проведении вакуум-кислородного обез­углероживания в установках цир­куляционного вакуумирования (рисунок 3). При этом, кислород вводят в металл непосредственно в камере циркуляции (через стенку вакуум-камеры или с помощью фурмы).

а – через стенку вакуум-камеры – RHO-процесс (О – от англ., oxygen – кислород);

б – через фурму - RH-OB процесс (OB – от англ., oxygen blowing – про­дувка кислородом)

Рисунок 3 – Схемы подачи кислорода на установке циркуляционного

вакуумирования