Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

Глава 27

ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ ВАКУУМОМ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Внепечная обработка вакуумом жидкой стали, выплавленной в обычных сталеплавильных агрегатах — конвертерах, мартенов­ ских или электрических печах, является наиболее массовым методом обработки вакуумом. Такая обработка, применявшаяся вначале главным образом для снижения поражения стали флокеиочувствительных марок флокенами вследствие удаления водорода, а в после­ днее время в связи с усовершенствованием конструкций установок, методов вакуумирования и технологии плавки, получила распро­ странение, так как позволила уменьшать содержание в металле и других газов (кислорода и отчасти азота). Это значительно расши­ рило сортамент и способствовало увеличению объема обрабатывае­ мой стали. В настоящее время нет другого такого универсального и производительного метода борьбы с содержанием вредных газов в стали, как внепечное вакуумирование.

Основанием для широкого внедрения вакуумной обработки при массовом производстве стали послужили положительные резуль­ таты, полученные в середине пятидесятых годов в СССР и ФРГ.

Вдальнейшем внепечное вакуумирование получило распространение

ив других странах с развитой металлургией — США, Японии, Анг­ лии, Швеции и др.

Кначалу семидесятых годов в мире работало уже примерно 300 установок внепечного вакуумирования, и ежегодно в эксплуа­ тацию вводится 10—15 новых установок.

Существует много различных способов вакуумирования, и их число постоянно увеличивается. Некоторые из предложенных вариан­ тов вакуумирования еще не применяют, а часть из них представ­ ляется даже в известной степени нереальным. Однако тот факт, что предлагаются все новые варианты, свидетельствует о значительном интересе к этому методу повышения качества стали, а также о том, что, по-видимому, не создан оптимальный вариант вакуумирования, одинаково пригодный для всех условий.

Многообразие методов внепечного вакуумирования вызывает необходимость их классификации, в основу которой должны быть положены принципиальные отличия процесса вакуумирования, ха­ рактерные для данного метода. Исходя из этого, основные способы, получившие промышленное применение, можно разделить на три группы:

1)вакуумирование всей плавки в течение всего времени обработки;

2)вакуумирование непрерывно в струе при протекании металла через вакуумную камеру;

3) вакуумирование металла отдельными порциями вне ковша в специальной камере.

При оценке того или иного метода вакуумирования необходимо также обращать внимание на два важнейших обстоятельства: пере-

555

мешиваниё И подогрев ванны. Перемешивание ванны при вакууми­ ровании больших порций металла, способствующее повышению эффективности дегазации, можно осуществлять:

1)механическим устройством;

2)индукционным устройством;

3)вдуванием инертного раза.

Подогрев металла необходим для компенсации тепловых потерь при вакуумировании и для получения необходимого перегрева по сравнению с температурой ликвидуса, которая может возрасти вследствие уменьшения при вакуумировании содержания углерода. Необходимая для нормальной разливки температура металла обе­ спечивается:

1)заблаговременным перегревом его в плавильном агрегате перед вакуумированием;

2)подогревом металла при вакуумировании электрической дугой;

3)подогревом при вакуумировании в электромагнитном поле, создаваемом индуктором высокой или низкой частоты.

ВАКУУМИРОВАНИЕ СТАЛИ В КОВШЕ

Наиболее простым вариантом внепечного вакуумирования яв­ ляется одновременная обработка всей плавки вакуумом в ковше, осуществленная впервые в 1953 г. на Енакиевском металлургическом заводе. Для обработки ковш с металлом, выпущенным вместе со

Рис. 144. Схематическое изображение вариантов вакуумирования металла в ковше: '>

а— с выдержкой ковша с металлом в вакуумной камере; б — с электромагнитным перемеши­ ванием металла; в — с продувкой газами; г *— вакуумирование по методу ASEA—SKF

начинается процесс дегазации стали, сопровождающейся перемеши­ ванием металла и шлака выделяющимися пузырями газа.

Камера для вакуумирования представляет собой стальной ци­ линдр, устанавливаемый в бетонированном приямке в разливочном пролете. Сверху камера закрывается крышкой, укрепленной на пет­ лях и поднимаемой при помощи лебедки. На некоторых установках крышка снимается краном или откатывается в сторону по рельсам. За рубежом имеются установки, где применяют прямоугольные

367

камеры, в которые ковш с металлом вкатывают на тележке через

боковые двери.

До последнего времени на установках внепечного вакуумирова­ ния широко использовались механические, преимущественно много­ пластинчатые, насосы. Однако они при сравнительно большой про­ изводительности позволяют снижать давление только до 1,33—2,0 кПа (до 10— 15 мм рт. ст.). При последовательном их соединении предель­ ный вакуум достигает 0,533^-0,660 кПа (4—5 мм рт. ст.), но резко уменьшается суммарная скорость откачки.

Насосы с масляным уплотнением чувствительны к наличию в от­ качиваемых газах пыли, которая в больших количествах выносится из вакуумных камер. Поэтому в системах с такими насосами необ­ ходимо устанавливать фильтры, быстро забивающиеся пылыо и резко уменьшающие эффективную пропускную способность вакуум­ ной системы.

Наиболее целесообразно в установках внепечного вакуумирования использовать пароводяные эжекторные насосы. Эти насосы наименее чувствительны к наличию в газах пыли и производительность их исчисляется десятками тысяч кубических метров в минуту даже при остаточном давлении 13,33—6,66 Па (0,1—0,05 мм рт. ст.). Поэтому ряд установок на отечественных заводах, ранее работавших на меха­ нических насосах, оборудуют теперь пароэжекторными насосами.

Экспериментально установлено, что при вакуумировании в ковше раскисленной легированной электростали ни кислород, ни азот из металла не удаляются. Весь эффект вакуумирования сводится к нез­ начительному снижению содержания водорода, причем эффектив­ ность обработки уменьшается с увеличением массы плавки.

Вакуумирование в ковше нераскисленной стали характеризуется бурным взаимодействием растворенного в металле углерода с кисло­ родом металла и шлака и вскипанием металла и шлака. Поэтому при обработке нераскисленной стали необходимо в ковше обеспечивать свободный объем при его высоте, составляющей примерно 1 м.

В результате углеродного раскисления в вакууме кипящей стали в ковшах малого объема удается получать спокойный металл без дополнительного раскисления. Например, после вакуумной об­ работки 10-т мартеновских плавок низкоуглеродистой стали в те­ чение 8— 10 мин при давлении 66,6—400 Па (0,5—3,0 мм рт. ст.) содержание углерода снижалось на 0,02—0,09%, кислорода с 0,018—0,043до0,002—0,009%, закиси железа в шлаке с 8,5— 16,6%

до 2,2—8,3%. Выделяющаяся при обработке окись углерода пере­ мешивает металл и способствует удалению водорода и азота.

Однако эффективность вакуумной обработки в ковше и нерас­ кисленной стали уменьшается с увеличением массы металла, так как значительное ферростатическое давление затрудняет образо­ вание пузырьков окиси углерода в нижних горизонтах ковша боль­ шой емкости и нижние слои металла обработке вакуумом по суще­ ству не подвергаются. Так, уже при обработке плавки массой 60 т достигается очень незначительный эффект, а вакуумирование пла­ вок массой 80— 100 т становится нецелесообразным.

368

Повысить эффективность внепечного вакуумирования стали в ковше позволяет принудительное перемешивание металла. При принудительном перемешивании степень дегазации, одинаковая со степенью дегазации верхних слоев металла при вакуумировании без перемешивания, может быть достигнута в объеме всего ковша любой емкости. Перемешивание позволяет вакуумировать нераскисленную сталь с введением раскислителей и легирующих добавок после вакуумирования, что способствует получению стали, менее загрязненной продуктами раскисления.

Для интенсификации вакуумирования стали в ковше наиболее широкое распространение получили электромагнитное перемеши­

ние металла продувкой газами. Для этого в обычном сталеразливочном ковше предусматривают устрой­

ство для ввода газа в металл: ложный стопор с газопроницаемыми элементами, пористые или с прошитыми каналами огнеупорные пробки, пористые блоки и т. п.

В отличие от электромагнитного перемешивания продувка ме­ талла оказывает дополнительное дегазирующее действие. Вна­ чале для этих целей металл продували только инертными газами, однако в последнее время наряду с аргоном применяют также азот, окись и двуокись углерода и даже сухой воздух. Это позволяет зна­ чительно снизить стоимость затрат на обработку без заметного сни­ жения ее эффективности.

Предложены и другие способы перемешивания металла в ковше: вибрация, перемешивание при помощи механических мешалок типа пропеллера и некоторые другие способы. Однако они пока не нашли широкого применения вследствие недостаточной эффективности (виб­ рация) или из-за сложности устройств (мешалки).

Крупный недостаток способов вакуумирования стали в ковше заключается в значительных потерях тепла (рис. 145). Дефицит тепла увеличивается также вследствие повышения температуры лик­ видуса при обезуглероживании. Поэтому вакуумирование в ковше с перемешиванием металла целесообразно применять для обработки высоко- и среднеуглеродистых сталей в ковшах большой емкости.

Но даже в Этом случае металл в печи необходимо перегревать на 50—70° С, что отрицательно сказывается на производительности агрегата и уменьшает стойкость футеровки.

Делаются попытки компенсировать потери тепла при вакууми­ ровании подогревом металла в ковше. Так, шведской компанией электричества (ASEA) и компанией шведских шарикоподшипнико­ вых предприятий (SKF) разработан способ вакуумирования жидкой стали в ковше с подогревом электрическими дугами (см. рис. 144, г).

После расплавления металла и скачивания шлака в электропечи плавку выпускают в подогретый ковш, который устанавливают затем в индуктор для перемешивания и вакуумирования в течение 10— 15 мин. По окончании вакуумирования и легирования снимают крышку н на ковш устанавливают свод, подобный своду обычной дуговой печи, включают ток и продолжают рафинирование плавки.

Таким образом, принцип действия этой установки позволяет пере­ нести все операции по рафинированию стали в ковш. Сталеплавиль­ ная печь в этом случае используется только для расплавления шихты и удаления из металла фосфора. Это обеспечивает значительное воз­ растание производительности электропечи и увеличение срока службы ее футеровки, но соответственно усложняет работу футе­ ровки ковша.

Несмотря на сложность и сравнительно высокую стоимость обо­ рудования, этот способ благодаря большим потенциальным воз­ можностям рафинирования и гибкости технологического процесса получил распространение не только в Швеции, но и в Японии, США, Англии, Италии и ряде других стран. В 1972 г. на зарубежных за­ водах насчитывалось свыше 20 установок, работающих методом ASEA—SKF, в которых исходный полупродукт выплавляют не только в электропечах, но и в кислородных конвертерах, и по спо­ собу Калдо.

ВАКУУМИРОВАНИЕ СТАЛИ В СТРУЕ

Разработка способов струйной дегазации была вызвана необхо­ димостью устранить поражение крупных поковок легированной стали флокенами, так как специальная противофлокенная термооб­ работка заготовок для крупных деталей массой 50—300 т не гаран­ тировала отсутствие в них этих дефектов. С целью уменьшения со­ держания в жидкой стали водорода в ФРГ был предложен способ обработки металла вакуумом в струе при наполнении изложницы или формы (рис. 146, а).

При попадании струи металла в объем вакуумной камеры она разрывается выделяющимися газами на множество капель. Разви­ тая поверхность контакта металла с атмосферой и отсутствие в струе ферростатического давления обеспечивают более глубокую дегаза­ цию, чем при выдержке металла в ковше. При вакуумировании струи водорода удаляется примерно в 2 раза больше, чем в случае ваку­ умирования металла в ковше (рис. 147).

Благодаря высокой эффективности и сравнительной простоте осуществления способ струйной дегазации быстро распространился

370