Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. История развития процесса

2. Понятие вакуумирования и область его применения

3. Основные реакции в процессе вакуумирования стали

3.1 Удаление кислорода

3.2 Удаление водорода

3.3 Удаление азота

3.4 Обезуглероживание и раскисление

3.5 Удаление неметаллических включений

3.6 Приоритетные направления развития

4. Основные разновидности установок вакуумирования стали

4.1 Основные способы вакуумирования стали

4.2 Струйное вакуумирование

4.3 Вакуумирование стали в вакуум-камере

4.3.1 Порционное вакуумирование

4.3.2 Циркуляционное вакуумирование

4.4 Ковшовые вакууматоры

4.4.1 Общая классификация установок ковшевого вакуумирования

4.4.2 Двухпозиционный камерный вакууматор фирмы SIEMENS-VAI

4.4.3 Усовершенствование процесса ковшевого вакуумирования

5. Выбор оптимального метода вакуумирования стали

5.1 Сравнительная характеристика установок внепечной обработки стали

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современные условия развития предъявляют все более высокие требования к качеству стали, которое можно обеспечить только снижением вредных примесей, таких как растворённые газы, неметаллические включения, сера, фосфор и другие.

Вакуумирование стали является наиболее эффективным методом внепечной обработки, обеспечивающим производство сталей высокого качества за счёт минимального содержания вредных примесей. Это достигается максимальной степенью рафинирования, благодаря выполнению следующих условий:

- создание максимального разряжения над жидким металлом;

- максимальная поверхность взаимодействия между металлом и вакуумом;

- достаточное время взаимодействия металла с вакуумом.

Таким образом, использование вакуума позволяет обеспечить глубокую дегазацию металла (удаление O2, H2, N2), снизить содержание углерода и неметаллических включений. Кроме того происходит усреднение химического состава и выравнивание температуры по всему объему металла.

Но вакуумирование является достаточно энергоёмким, дорогостоящим и сложным методом обработки. Поэтому необходимо было провести литературный анализ и выбрать оптимальный способ вакуумной обработки низко- и среднелегированных сталей, применительно к условиям металлургического комбината ОАО «Уральская Сталь».

1. История развития процесса

Идея применения вакуумной обработки жидкой стали для улучшения ее качества возникла у Бессемера в 1883 году, а первые сведения о промышленном вакуумировании в сталеплавильном производстве появились в 1893 году, когда была опробована первая разливка стали под вакуумом на заводе германской компании Bochumer Verein.

В 1914 году на одном из заводов Бельгии вакуум использован при обработке плавки весом 2,5 т.

С 1946 г. началось опытно-промышленное освоение вакуумной обработки жидкой стали при переливе ее из ковша в ковш. [2].

В Советском Союзе первые разработки технологии промышленного вакуумирования относятся к 1940 году. С 1950 началось широкое использование различных методов вакуумирования стали. Промышленное ковшевое вакуумирование впервые было использовано в 1952 году на Енакиевском металлургическом заводе в Донбассе.

Первые промышленные способы вакуумирования стали базировалась на повышении скорости массообменных процессов в металле под вакуумом путем активизации реакции окисления углерода. Но такой подход имел серьезные технические и технологические ограничения. Например, ковшевое вакуумирование могло быть эффективно только при наличии условий интенсивного перемешивания всего объема расплава, что невозможно было реализовать в глубоком сталеразливочном ковше из-за высокого ферростатического давления. Недостатки ковшевого вакуумирования решались путем продувки метала аргоном и гелием (в 1958 г. в Германии и в 1959-м в США) или с помощью электромагнитного перемешивания (1962 г, Германия и США).

В последующие годы вакуумирование становится одним из важнейших звеньев промышленной технологии производства высококачественных сталей. Так, в последнем десятилетии прошлого столетия в мире введены в эксплуатацию около 120 агрегатов вакуумирования стали. По данным немецкой компании SMS Mevac, более половины новых установок вакуумирования стали эксплуатируются в странах Азии. Признанным лидером в развитии технологии вакуумирования стали является Китай, где за последние десять лет общий объем вакуумированной стали увеличился с 3,5 млн. т/год до 18,6 млн. т/год. В настоящее время в этой стране работают или находятся в стадии сооружения около 20 вакууматоров.

В России наблюдается интенсивный рост числа вакууматоров современных типов, что дает возможность ликвидировать отставание от ведущих зарубежных стран. Наиболее широко представлены циркуляционные и ковшовые вакууматоры, оснащенные кислородными фурмами для окислительного вакуумирования. Увеличиваются объемы производства и номенклатура вакуумированных конструкционных сталей, в том числе мостовых, для судостроения, для автолиста с содержанием углерода до 0,005 % [3].

2. Понятие вакуумирования и область его применения

Вакуумирование стали [steel vacuum treatment (processing)] - обработка жидкой стали под вакуумом с целью улучшения ее качества за счет уменьшения в ней содержания газов (Н2, N2, О2) и неметаллических включений, а при специальных методах выплавки и некоторых других элементов (например, Mn, Pb, Zn, Сu).

Основная идея технологии вакуумной обработки стали основана на термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенным в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде СО и СО2, обеспечивая, наряду с раскислением, обезуглероживание стали. Как отмечалось выше, равновесие реакции

[С] + [О] = СОгаз; K = pCO / a[C] a[O]

сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя оксид углерода (II). Следовательно, обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит к частичному или полному их разрушению по реакции

(МеО) + [С] = [Me] + СОГ.

МnО или Сг2О3, восстанавливаются почти полностью. Для восстановления более прочных включений, (А12О3 или ТiO2) требуется очень глубокий вакуум.

Обработка металла вакуумом также влияет на содержание в стали водорода и азота.

С присутствием водорода в стали связан такой дефект, как флокены. Верхние границы концентраций водорода, при которых металл свободен от флокенов, зависят от состава стали, сечения проката и скорости охлаждения.

Содержание водорода в металле определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе:

[Н] = k,

где [H] - содержание водорода в металле;

PH2 - парциальное давление Н2 над расплавом;

К - коэфицент растворимости Н2 в расплаве.

Аналогично для азота.

При снижении давления над расплавом равновесие реакции

2 [Н]Н2газ

сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (DH = 1,21,510-3 см/с), и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Равновесие реакции

2 [N]N2газ

при снижении давления также сдвигается вправо, однако азот в металле менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на порядок меньше, чем водорода [DN = (14) 10-4 см/с], в результате интенсивность очищения расплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем у водорода. Требуются более глубокий вакуум и продолжительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются маленькими «вакуумными камерами», так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водород и азота равны нулю (PH2 = 0 и PN2 = 0).

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При продувке, массу металла пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек представляет собой маленькую «вакуумную камеру», так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При этом под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления увеличивается в 4-5 раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима [4].

Таким образом, при обработке металла вакуумом уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков металл перемешивается, становится однородным, происходит «гомогенизация» расплава.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется. Примеси цветных металлов в некоторых случаях, особенно при производстве высокопрочных сплавов, заметно ухудшают свойства металла, и обработка вакуумом является по существу единственным способом уменьшить это вредное влияние.

Поэтому обработка стали вакуумом используют при производстве сталей высокого качества, необходимых для производства целого ряда изделий авиационной, радиоэлектронной, приборостроительной промышленности, а также для изготовления конструкций (например, трубопроводов, мостов и т. п.), работающих на крайнем Севере, для космической техники и т. п.

3. Основные реакции в процессе вакуумирования стали

3.1 Удаление кислорода

Непосредственное удаление из стали растворённого в ней кислорода путем внепечной вакуумной обработки осуществить очень трудно (практически невозможно), так как для этого необходимо обеспечить очень низкое давление в вакуум-камере (не более 0,6*10-3 Па) [2]. Практически наблюдаемое снижение содержания кислорода в сталеплавильной ванне при вакуумировании имеет место в результате всплывания оксидных неметаллических включений и/или взаимодействия кислорода, растворенного в металле и входящего в состав оксидных включений, с углеродом. В стали практически всегда содержится определенное количество углерода. Равновесие реакции

[С] + [О] = СОГ

при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород взаимодействует с углеродом, образуя монооксид углерода, содержание кислорода в металле уменьшается. В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению включений

(МеО) + [С] = = [Ме]+ СОГ.

В условиях глубокого вакуума восстановления оксидных включений с образованием газообразных субоксидов связано с протеканием, например, следующих реакций:

Аl2О3(т) + 2[С] = А12О3 + 2СО; G = 287800 - 110,31 Т;

Аl2О3 (т) + [С] = 2А1ОГ + СО; G= 375150 - 113,70 Т;

SiO2(т) + [С] = SiO(г) + СО; G= 156040 - 68,99 Т/6/.

Расчеты показывают, что если содержание углерода составляет 0,1 %, указанные реакции при 1600 °С получают развитие при Рост= 21,32 и 87Па [2]. Несмотря на термодинамическую возможность восстановления включений углеродом, тем не менее, указанные реакции вследствие различных кинетических трудностей получают ограниченное развитие. Несмотря на то, что для получения низких концентраций кислорода в металле путем вакуумирования требуется достаточно длительная обработка, этот метод широко используют, особенно тогда, когда стремятся получить сталь, чистую от продуктов раскисления. Метод рафинирования стали от кислорода и оксидных включений при вакуумировании называют углеродным раскислением. Достоинство этого метода заключается в возможности получения более чистого от включений металла, поскольку продукты раскисления удаляются в газовую фазу. Так, например, особенно важно рафинирование металла от кислорода и перевод продуктов раскисления в газовую фазу при изготовлении крупных слитков для поковок.

3.2 Удаление водорода

Снижение содержания водорода при вакуумировании имеет место в результате:

- выделения пузырей водорода, зарождающихся в ванне (в случае высокого содержания водорода в металле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил поверхностного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеровки или на неметаллических включениях;

- десорбции газов с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности ванны, к которой атомы газа перемещаются диффузионным или конвективным способом;

- десорбции газа с поверхности пузырей СО внутри пузыря и вынос из ванны вместе с пузырями СО (в случае образования СО при вакуумировании);

- десорбции газа с поверхности пузырей аргона в случае продувки металла аргоном;

- всплывания гидридных неметаллических включений (в сплавах при содержании в них гидрообразующих элементов).

Содержание водорода в железе определяется, при прочих равных условиях, давлением водорода в газовой фазе. Это соотношение практически не изменяется для обычных железоуглеродистых расплавов с обычно встречающимися при выплавке стали концентрациями углерода, кремния, марганца, никеля, хрома.

При снижении давления над расплавом, сдвигается равновесие реакции

2[Н]=Н2(г)

вправо. Водород в жидкой стали обладает большой подвижностью, коэффициент диффузии водорода достаточно велик, D = (1,2-1,5) * 10-3 см/с, и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из него [2].

Можно считать, что после обработки вакуумом содержание водорода снижается до 1-2 см3/100 г, т.е. концентраций, при которых не имеет место образование флокенов и других нежелательных явлений. Практика показала, что при достижении давления в вакууматоре 66,6 Па обеспечивается достаточно полное удаление водорода.

3.3 Удаление азота

Снижение содержания азота при вакуумировании происходит в результате:

- всплывания нитридных неметаллических включений (в сталях и сплавах при содержании в них нитридообразующих элементов);

- выделения пузырей азота, зарождающихся в ванне (в случае высокого содержания азота в металле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил поверхностного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеровки или на неметаллических включениях;

- десорбции газа с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности к которой атомы газа перемещаются вследствие диффузии или конвекции;

- десорбции газа с поверхности пузырей СО и удаления из ванны вместе с этими пузырями;

- десорбции газа с поверхности пузырей внутрь пузыря в случае продувки металла аргоном.

Равновесие реакции

2[N] = N2(г)

также подчиняющейся закону квадратного корня, при снижении давления сдвигается вправо.

В результате, при непродолжительном вакуумировании содержание азота снижается незначительно. Кинетика удаления азота (также и водорода) определяется условиями протекания основных стадий процесса. К их числу относятся:

- перенос атомов газа к поверхности раздела металл -- газ;

- диффузия через тонкий диффузионный слой, в котором отсутствует гидродинамическое перемешивание (чем интенсивнее перемешивание ванны, тем меньше толщина диффузионного слоя);

- адсорбция атомов газа в поверхностном адсорбционном слое;

- реакция образования молекул 2Nадс = N2 (для водорода 2Надс = Н2);

-десорбция образовавшихся молекул в газовую фазу, отвод продуктов (молекул газа) от поверхности.

Таким образом, на результирующую скорости влияет целый ряд факторов, часто действующих одновременно. Большое значение имеет интенсивность перемешивания ванны и связанная с этим удельная поверхность F/V (отношение поверхности к объему обрабатываемого металла, чем больше F/V, тем интенсивнее дегазация). Можно принять, что процесс дегазации при вакуумировании определяется диффузией газов через границу металл -- газовая фаза.

Если ковш размещается в вакуумной камере, полезная площадь поверхности для дегазации F равна поверхности жидкой стали. Отношение F/V тогда может быть очень небольшим. Но это отношение может быть значительно увеличено в результате:

1) перемешивания поверхностного слоя;

2) продувки инертным газом;

3) образования монооксида углерода в расплаве.

Это выражается в изменении картины потока с соответствующим увеличением коэффициента массопереноса. Большое значение имеет также присутствие поверхностно-активных примесей, блокирующих поверхность металл -- газ и препятствующих протеканию процесса удаления азота. К числу таких примесей относятся прежде всего кислород и сера, поэтому, например, раскисление и десульфурация металла заметно облегчают условия удаления азота при вакуумировании/3/ .

3.4 Обезуглероживание и раскисление

В процессе обработки вакуумом обеспечиваются условия для протекания реакции обезуглероживания более благоприятные, чем в сталеплавильных агрегатах, где получение особо низких концентраций углерода связано с необходимостью получения очень окисленных шлаков, повышенным угаром железа, увеличением продолжительности плавки и т.д. При обработке вакуумом нераскисленного металла интенсивность протекания реакции

[С] + [О] = СОГ;

; /5/. (1)

может настолько возрасти, что газовыделение приобретает бурный характер.

Обезуглероживание расплава происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхности капель фонтанирующего металла в камере и на поверхности пузырей газа во всасывающей трубе. При повышении расхода подаваемого во всасывающую трубу газа интенсивность обезуглероживания заметно возрастает, при этом повышается доля углерода (до 30 - 40%), окислившегося на поверхностях капель фонтанирующего металла, а также на поверхности пузырей газа.

При рассмотрении условий протекания реакции (1) следует учитывать, что при установлении численных равновесных соотношений углерода с кислородом для этой реакции обычно принимают рсо = (1 ат = 0,1 МПа). Если принять, что рсо = 1, то К = 1/[С]•[О]; [С]•[О]=1/К=m и величина m=[C]•[O] характеризует равновесные соотношения углерода и кислорода. Чаще используют соотношение, установленное Вачером и Гамильтоном (m=0,0025). На практике анализ проб кипящегo металла в конвертерах, мартеновских и электропечах показывает содержание кислорода несколько большее, чем соответствующее соотношению [С]•[О] = 0,0025, что свидетельствует как о влиянии окислительной фазы, так и о том, что реакция протекает при Рсо> 1 (например, не на поверхности металла, а в глубине ванны, где с учетом ферростатического давления Рсо может быть равным 1,5 и более) [4].

Как видно из уравнения (1), в условиях равновесия при окислении углерода содержание кислорода в металле прямо пропорционально парциальному давлению СО. Образование пузырьков СО в процессе окисления углерода возможно лишь тогда, когда давление его образования достигает внешнего давления на пузырек Рпуз, состоящего из атмосферного Рат и ферростатического Рф давлений, а также давления поверхностного натяжения, равного 2у/r (где у - поверхностное натяжение; r - радиус пузырьков):

(2)

Из уравнения (2) следует, что с уменьшением атмосферного давления, т.е. созданием в системе вакуума, уменьшается давление на пузырек и соответственно уменьшается парциальное давление СО. Пропорционально этому понижается и равновесное с углеродом содержание кислорода.

Таким образом, при понижении давления в вакууме возрастает химическое сродство углерода к кислороду. Происходит более полное развитие реакции окисления углерода и углеродное раскисление стали. При низких давлениях углерод становится сильным раскислителем. Например, в условиях равновесия уже при давлении в системе 10 кПа углерод более сильный раскислитель, чем кремний, а при обычном для внепечной обработки давлении 0,1 кПа - более сильный, чем алюминий (рисунок 1).



Рисунок 1 - Зависимость активности кислорода а[o] в стали от активности раскислителя а[R] при 1600 0С. Цифры у прямых - РСО, кПа; А - область активностей кислорода достигаемых при вакуумировании стали

Однако в реальных условиях обработки стали вакуумом описываемая уравнением (1) зависимость произведения активностей и собственно концентраций углерода и кислорода от РСО сохраняется лишь при понижении давления до 10 кПа в условиях вакуумирования жидкой углеродистой стали (рисунок 1) и до 1 кПа при вакуумировании жидкой нержавеющей стали. Дальнейшее понижение давления не вызывает уменьшения произведения [C][O] = т, и раскислительная способность углерода практически не возрастает. Понижение раскислительной способности углерода при вакуумировании жидкой стали с понижением давления до определенных значений объясняется особенностями процесса раскисления углеродом.

При зарождении в гомогенной жидкости газовых пузырьков вследствие малого радиуса (~10-6 м) они испытывают огромное капиллярное давление - давление поверхностного натяжения (уравнение (2)). Это приводит к тому, что реакция окисления углерода протекает на имеющихся межфазных поверхностях. Здесь пузырек может достигнуть критического размера, когда внешнее давление, состоящее из атмосферного, ферростатического и капиллярного, не превышает давления выделения СО вследствие химической реакции. Но и на межфазной поверхности при зарождении пузырька СО на него действует значительное капиллярное давление, что приводит к определенному перенасыщению металла углеродом и кислородом по сравнению с равновесными концентрациями. С понижением атмосферного и ферростатического давления на пузырек возрастает роль капиллярного давления и при некотором достаточно низком давлении двух первых слагаемых общего давления на пузырек решающее значение в развитии реакции окисления углерода приобретает капиллярное давление. Поэтому дальнейшее понижение атмосферного давления не оказывает влияния на концентрацию (активность) углерода и кислорода в металле.

Роль капиллярного давления характеризует приведенный ранее пример, свидетельствующий о том, что предельное давление, до которого наблюдается влияние этого давления на раскислительную способность углерода для углеродистой стали равно 10 кПа, а для нержавеющей стали, обладающей заметно более низким поверхностным натяжением, эта зависимость сохраняется до 1 кПа.

Если обработка расплава вакуумом преследует цель использовать главным образом преимущества углеродного раскисления, то нет необходимости создавать в агрегате глубокий вакуум. Достаточным будет снижение давления от 100 до 0,1 - 0,2 кПа, которое обычно легко осуществляется с помощью простых насосов. Уменьшение же давления ниже 0,1 кПа требует значительных затрат, а его влияние на условия раскисления асимптотически приближается к нулю. Однако и при достигаемой в промышленных условиях степени раскисления углеродом в вакууме он все же при содержании более 0,1 % оказывается более сильным раскислителем, чем кремний, и его действие сопоставимо с раскисляющим действием алюминия при обычном содержании этого элемента в стали до 0,01 %.

Повысить раскислителъную способность углерода в вакууме можно, облегчая условия выделения оксида углерода введением в металл готовых газовых пузырьков (например, продувкой нейтральным газом). Согласно экспериментальным данным продувка металла аргоном позволяет заметно понизить давление, при котором наблюдается его влияние на степень раскисления, т.е. увеличить раскислительную способность углерода. Так, при одинаковых условиях содержание кислорода в металле после вакуумирования в спокойном состоянии соответствовало равновесному давлению СО 16 кПа, после вакуумирования с перемешиванием 4,5 кПа, а при вакуумировании с продувкой аргоном 3 кПа [5].

Раскисление углеродом в вакууме оказывает влияние и на другие процессы рафинирования стали. Барботаж металла пузырьками СО способствует дегазации стали и флотации неметаллических включений, т.е. рафинированию от кислорода, водорода, азота и неметаллических включений.

3.5 Удаление неметаллических включений

В процессе обработки вакуумом включения могут удаляться из металла механическим путем, а также распадаться и растворяться в металле в результате изменения термодинамических параметров, вызванного понижением давления. Рассмотрим, в какой мере эти процессы могут протекать в условиях внепечной обработки стали.

Понижение содержания неметаллических включений в стали при внепечной обработке вакуумом происходит преимущественно механическим путем в результате переноса их на межфазные поверхности, а также флотации газовыми пузырьками.

Диссоциация оксидных включений может идти по реакции (3):

(3)

Понижение давления в системе вызывает сдвиг равновесия в сторону более полного разложения оксидных включений. Однако диссоциация этих включений возможна лишь в том случае, когда упругость диссоциации оксида больше парциального давления кислорода в системе. Между тем упругость диссоциации оксидов продуктов раскисления при образовании чистого раскислителя в виде отдельной фазы при 1900 К равна, Па: А12О3 1014, SiO2 10 -2, MnO 10-8, CaO 10-18 /5/. Так как в жидкой стали раскислители образуют разбавленные растворы, упругость диссоциации их оксидов увеличивается (обычно на 3 - 4 порядка). Но при этом оно остается на несколько порядков меньше давления в условиях обработки стали вакуумом. Поэтому термическая диссоциация оксидных неметаллических включений при внепечном вакуумировании стали происходить не может.

Взаимодействие оксидных включений с растворенным в жидкой стали углеродом может быть описано реакцией

(4)

Так как понижение давления не влияет на раскислительную способность раскислителей (кроме углерода), из уравнения (4) следует, что при понижении давления возможно восстановление оксидных включений углеродом. При таких давлениях углерод имеет большую раскислительную способность, чем кремний, и он может восстанавливать SiO2. Однако такая термодинамическая возможность при внепечной обработке стали тактически не реализуется. Даже при вакуумных переплавных процессах, протекающих при давлениях на 2 - 5 порядков меньших, таким путем удаляется лишь до 20 - 25 % включений. При внепечной же обработке вакуумом все оксидные включения, которых относительно много лишь при вакуумировании полностью раскисленной стали, удаляются из металла механическим путем. Тем более, что основную их часть составляют включения, образованные А1зОз; корунд (-Аl2О3), шпинели (МnАl2О3; MgO Al2O3; FeO А1203).

Механическое удаление неметаллических включений происходит в результате перехода их в шлак, в образуемую на поверхности жидкой стали шлаковую пленку или на твердую поверхность. Протекает оно в три стадии: 1 - перенос к межфазной поверхности; 2 - зацепление за межфазную поверхность; 3 - ассимиляция жидкой неметаллической фазой (шлаком) или спекание с твердой фазой. Лимитирующим звеном процесса является перенос включений к межфазной поверхности. Этот перенос может осуществляться при всплывании включений в металле или массопереносе их с потоками металла. Всплывание включений, скорость которого пропорциональна квадрату радиуса (формула Стокса), играет некоторую роль лишь сразу после ввода раскислителей в сталь с высоким содержанием кислорода, когда образуются крупные жидкие включения диаметром более 15 - 20 мкм. В процессах внепечной обработки существенное значение имеет массоперенос включений с потоками металла. Поэтому при внепечной обработке стали решающее влияние на удаление неметаллических включений оказывает интенсивность перемешивания.

При интенсивном перемешивании лимитирующим звеном может быть и вторая из приведенных выше стадий - зацепление. Это связано с тем, что включение, которое плохо "зацепилось", за межфазную поверхность при попадании на нее, может быть вновь унесено потоком металла. Вероятность прочного зацепления увеличивается с повышением энергии межфазного натяжения на границе включение - металл. Поэтому при интенсивном перемешивании лучше удаляются включения корунда (-Аl2О3), имеющие большую межфазную энергию на границе с металлом, чем силикаты. По-видимому, этому способствует и остроугольная форма кристаллов корунда, благодаря чему они прокалывают межфазную поверхность.[5].

3.6 Приоритетные направления развития

вакуумирование сталь ковшевой внепечной

Широкое внедрение прогрессивных технологий внепечной обработки металла позволило улучшить показатели качества выпускаемой продукции. Несмотря на достигнутый уровень, резервы повышения эффективности сталеплавильного производства еще не исчерпаны, поэтому работы по его совершенствованию продолжаются.

Основные направления дальнейшего развития повышения качества стали:

1) внедрения комбинированных методов обработки жидкого металла, предусматривающих одновременное или последовательное воздействие на него двумя и более способами;

разработка принципиально новых методов непрерывной (поточной) обработки стали;

развитие сравнительно простых способов внепечной обработки стали массового применения, обеспечивающих улучшение ее служебных свойств при минимальных дополнительных затратах;

совершенствование конструкций продувочных устройств с целью повышения их газодинамических характеристик;

создание универсального оборудования, обеспечивающего совместное выполнение нескольких технологических операций;

разработка новых составов рафинирующих смесей, позволяющих повысить эффективность очищения металла от вредных включений.

Кроме того технология разливки металла постоянно совершенствуется. Работы, связанные с повышением ее эффективности, ведутся по нескольким направлениям. Во-первых, расширяется сфера применения шиберных затворов, которыми оборудуются не только сталеразливочные, но и промежуточные ковши МНЛЗ.

Во-вторых, разрабатываются технологии, предполагающие совмещение проведения операций внепечной обработки и разливки стали.

В-третьих, изыскиваются возможности активного влияния на гидродинамику потоков стали как в основных и промежуточных ковшах, так и в изложницах и кристаллизаторах с целью обеспечения оптимальных скоростных режимов разливки и условий формирования слитка [5].

Наиболее актуальные направления совершенствования вакууматоров показаны на рисунок 2. Это расширение технологических возможностей оборудования, обусловленное разнообразным марочным сортаментом и ужесточением требований к качеству готовой продукции, и увеличение пропускной способности, связанное с распространением МНЛЗ, сокращением продолжительности выплавки стали, повышением скорости и серийности разливки.

При создании различных видов агрегатов внепечной обработки должны обеспечиваться уменьшение себестоимости продукции за счет снижения расходных показателей и оптимальный выбор средств для решения конкретных технологических задач, улучшение экологических характеристик и другие.

Результаты применения различных технологических средств весьма неоднозначны: например, увеличение мощности нагрева и интенсивности продувки ванны инертным газом повышает производительности оборудования, однако снижает стойкость футеровки; повышение мощности откачного оборудования расширяет технологические возможности, но сопровождается увеличением капитальных и эксплуатационных затрат и т. д., поэтому наряду с рациональным выбором типа агрегата важное значение имеет оптимизация технологических и конструктивных параметров в соответствии с научно обоснованными рекомендациями.



Рисунок 2 - Основные направления совершенствования вакууматоров

К основные тенденциям развития ковшовой обработки стали относят дальнейшее увеличение пропускной способности агрегатов, используемых в технологическом потоке "выплавка -- ковшовая обработка -- непрерывная разливка", совершенствование системы автоматизации агрегата и встраивание ее в автоматизированную систему управления производством, объединение агрегатов и отдельных стендов с образованием центров комплексной внепечной обработки стали.

В ближайшем будущем следует ожидать заметного расширения применения комплексной обработки жидкого металла. Несмотря на то, что для реализации комбинированных методов воздействия на расплав необходимо существенное увеличение затрат и применение более сложного оборудования, их использование при производстве специальных сталей экономически оправдано.

Практика сталеплавильного производства подтвердила экономическую целесообразность расширения функционального назначения применяемых для внепечной обработки и разливки стали агрегатов и устройств. Например, ковшовый затвор, предназначенный для разливки металла, может после внесения некоторых изменений в конструкцию использоваться также для осуществления инжекционной обработки стали и газодинамической защиты ее от вторичного окисления во время истечения из разливочного ковша.

Промежуточные ковши МНЛЗ уже сейчас на многих металлургических предприятиях наряду с основным своим назначением используются как агрегаты для обработки разливаемой стали рафинирующими смесями.

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 [6].

4. Основные разновидности установок вакуумирования стали

4.1 Основные способы вакуумирования стали

В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рисунке 3.

I - вакуумирование в струе: 1- при переливе из ковша в ковш; 2 - при разливки в изложницу; 3 - поточное вакуумирование;

II - вакуумирование в вакуум-камере: 4 - циркуляционное вакуумирование; 5 - порционное вакуумирование; 6 - поточное вакуумирование;

III - вакуумирование металла в ковше: 7, 8 - вакуум-кислородное рафинирование; 9, 10 - вакуум-кислородное рафинирование; 11, 12 - комбинированные с дуговым нагревом и вакуумированием.

Рисунок 3 - Способы вакуумирования стали

4.2 Струйное вакуумирование

Струйное вакуумирование основано на пропускании через герметичную камеру, соединенную с вакуумным насосом, струи металла при выпуске его из сталеплавильного агрегата, переливе из ковша в ковш, в изложницу или в промежуточную емкость МНЛЗ (рисунок 4) [7].

Рисунок 4 - Способы струйного вакуумирования стали

В вакуумной камере, которая накрывается крышкой с отверстием, перекрываемым алюминиевой пластиной, перед началом обработки создается разрежение. При открывании стопора или шиберного затвора сталеразливочного ковша струя вытекающей стали прожигает алюминиевую пластину и, попадая в разреженное пространство, разделяется на капли различной величины. При переливе спокойной стали угол раскрытия струи составляет 20 -- 40°, для нераскисленной -- до 140°.

Развитая поверхность раздела металла и разреженного пространства обеспечивает благоприятные условия для раскисления стали, удаления водорода и азота. Дальнейшая дополнительная дегазация происходит с поверхности металла, заполняющего приемную емкость. Во время перелива металла могут быть введены раскислители, а при переливе в ковш, кроме того может быть использована продувка ванны аргоном через донную пробку.

При всех вариантах вакуумной обработки струи в результате увеличенного теплового излучения расширенной струи, большого периода нахождения поверхности металла без шлака и значительной продолжительности процесса происходят существенные тепловые потери, особенно при переливе из ковша в ковш, причем в некоторых случаях требуется перегрев металла в печи до 150 °С. Ковш, используемый для заполнения металлом в процессе обработки, устанавливается в вакуум-камере, которая накрывается крышкой, или ковш непосредственно накрывается крышкой с помощью вакуум-плотного фланцевого соединения. В первом случае обеспечивается возможность заполнения вакуумированным металлом, как ковша, так и изложницы, упрощается обслуживание и исключается необходимость в защите кромки ковша от брызг и пыли. Достоинства второго варианта заключаются в уменьшении откачиваемого объема, габаритов и металлоемкости вакууматора, возможности смены разливаемых ковшей без нарушения вакуума над поверхностью расплава в изложнице, недостатки -- в необходимости иметь в цехе, по крайней мере, два типа ковша с разными посадочными поверхностями, существенно усложняющими их подготовку и эксплуатацию. Кроме того, в этом случае затрудняется размещение на крышке шлюзового устройства для ввода раскислителей.

Внутренние поверхности крышки и вакуум-камеры футеруются, для предотвращения образования настылей на огнеупорной кладке ковша или стенках изложницы вследствие разбрызгивания струи в крышке вакуум-камеры устанавливают огнеупорную направляющую трубу. В крышках размещаются смотровые окна, шлюзовые устройства для ввода кусковых материалов и клапаны для заполнения камеры инертным газом после вакуумирования. Все варианты струйного вакуумирования обеспечивают максимальную степень дегазации в связи с развитой поверхностью капель металла и эффективную защиту его от повторного окисления. Однако в связи с ограниченными технологическими возможностями их применение целесообразно в сочетании с другими, более универсальными методами внепечной обработки, а также при отливке крупных слитков из высококачественной стали.

Разновидностью струйного вакуумирования является поточное, которое представляет собой вакуумную дегазацию струи металла, заливаемого в промежуточную емкость МНЛЗ. В основу этой технологии положены теоретические разработки проф. Г. А. Соколова.

С учетом опыта эксплуатации подобного агрегата на НЛМК был разработан агрегат поточного вакуумирования нового поколения, предназначенный для оснащения вертикально-криволинейной МНЛЗ с радиусом кривизны 6 м для отливки слябов сечением 160x1000 - 160x1600 мм. В разработке принимали участие комбинат "Запорожсталь", ЦНИИчермет, ВНИИметмаш, ПО "Южуралмаш" [8 - 11].

В существующих цехах с ограниченной высотой может быть применен другой вариант конструкции поточного вакууматора, обеспечивающий непрерывное вакуумирование серии плавок. Устройство содержит вакуум-камеру с крышкой и вакуум-проводом, сталеразливочный ковш с затвором и юбкой, герметично состыкованной с вакуум-камерой, шлюзовую камеру с вакуумным затвором и механизмами вертикального и горизонтального перемещения, промежуточный ковш [12].

4.3 Вакуумирование стали в вакуум-камере

Порционные и циркуляционные вакууматоры характеризуются обработкой относительно небольшой части металла, циркулирующего через вакуумную камеру. Это позволяет существенно повысить интенсивность вакуумирования без ограничений массы обрабатываемой плавки. Известны следующие виды вакуумирования [14]:

пульсационное -- интенсивное перемешивание путем периодического всасывания порции металла в вакуум-камеру и слива в ковш за счет периодического изменения давления (используется редко);

порционное -- порции металла поступают в вакуум-камеру и сливаются обратно за счет возвратно-поступательных вертикальных перемещений вакуум-камеры;

циркуляционное -- металл непрерывно циркулирует через вакуум-камеру за счет подачи инертного газа во всасывающий патрубок (рисунок 5).

Рисунок 5 - Способы вакуумирования стали в вакуум-камере

В настоящее время широкое распространение получили порционный и циркуляционный вакууматоры. По технической сущности и достигаемым результатам, они длительное время конкурировали между собой, однако по мере улучшения качества огнеупоров и повышения стойкости футеровки предпочтение все чаще отдается циркуляционному вакуумированию. Во многих случаях с учетом технологического и конструктивного подобия порционные вакууматоры за рубежом были переоборудованы в циркуляционные.

4.3.1 Порционное вакуумирование

Порционный способ внепечного вакуумирования, разработанный фирмой "Dortmund - Hцrder Hьttenunion", ФРГ, обычно называют способом DH. Первая промышленная установка этого типа введена на заводе этой фирмы в Дортмунде в 1956 г. Вакуумированию подвергали сталь, выплавленную в мартеновских печах. Емкость ковша составляла 40...110 т.

Метод порционного вакуумирования жидкой стали заключается в вакуумной обработке расплавленного металла путем многократного его всасывания из сталеразливочного ковша порциями в вакуумную камеру.

При порционном вакуумировании в ковш с металлом опускается патрубок вакуум камеры (рисунок 6) и отбирает определенный объем стали для обработки.

1 - тележка со сталеразливочным ковшом; 2 - вакуумная камера; 3 - стенд гидравлического подъема и опускания камеры; 4 - охладитель газа; 5 - всасывающий патрубок; 6 - графитовый нагреватель; 8 - бункер для подачи ферросплавов; 10 - бункера для ферросплавов; 11 - дозирующие весы

Рисунок 6 - Схема порционного вакуумирования стали

Конец патрубка все время оставался опущенным в ковш, и металл из камеры после обработки сливается обратно. Затем камера опускается и в нее под действием вакуума засасывается очередная порция металла (отсюда название «порционное вакуумирование»).

В установках рассматриваемого типа порция металла поступает через огнеупорный патрубок из сталеразливочного ковша в вакуум-камеру за счет создания в ней значительного разряжения на высоту, примерно 1,4 м.

При опускании вакуумной камеры в нее натекает из ковша порция металла (15...18 т), которую, собственно, и подвергают вакуумной обработке. При последующем подъеме вакуумной камеры в пределах рабочего хода происходит соответственно слив обратно в ковш дегазированного металла. Вследствие последующего вертикального возвратно-поступательного движения вакуумной камеры в пределах рабочего хода через нее проходят новые порции металла. Сливающиеся порции металла из вакуумной камеры опускаются на дно сталеразливочного ковша. В некоторых случаях поднимается и опускается не вакуумная камера, а ковш с металлом, а камера остается неподвижной.

Масса одновременно поступающего в вакуумную камеру металла должна составлять не менее 10...12 % от общей массы металла в ковше. Амплитуда этих перемешиваний может превышать 2 м. Скорость подъема и опускания 6...7 м/мин (3...4 качка в минуту по общепринятой практике). Длительность одного цикла, включающего наполнение и опорожнение вакуум-камеры, составляет 15...30 секунд.

Число необходимых циклов, оценивают коэффициентом рециркуляции, устанавливаемым эмпирически, в зависимости от массы засасываемого за один цикл металла, состава стали, полноты ее раскисления и конкретной задачей вакуумирования. Коэффициент рециркуляции выражают отношением суммарной массы стали, прошедшей через вакуум-камеру за время дегазации к массе стали в ковше.

Количество циклов вакуумирования при обработке металла с целью удаления из него водорода и сокращения продолжительности противофлокенной обработки проката должна составлять не менее:

- при обработке раскисленного металла - 70 циклов;

- при обработке нераскисленного металла - 50 циклов.

Считают, что массу стали 100 т, необходимо пропустить через установку 3,5 раза. Для этого делают 45...50 качков. Время обработки составляет примерно 15 минут. После ввода раскислителей и легирующих, не нарушая вакуума, дополнительно осуществляют определенное число циклов (4...6), для выравнивания состава и температуры металла в объеме ковша.

Остаточное давление в вакуум-камере создаваемое многоступенчатым пароэжекторным насосом к концу дегазации чаще всего составляет 0,5 мм рт. ст. Футеровка вакуумной камеры перед вакуумированием нагревается системой электроподогрева или газокислородными горелками до 1500...1550 °С, что сокращает потерю тепла металлом. За время вакуумирования его температура снижается на 10...25 °С [15].

Порционное вакуумирование является наиболее эффективным средством удаления водорода (по некоторым оценкам, эффективность удаления водорода вдвое, а азота на 60 %, превышают соответствующие показатели циркуляционных вакууматоров).

Существует большое количество действующих агрегатов порционного типа, сохраняется потребность в стали с особо низким содержанием водорода, в том числе для роторов ЦНД, поэтому остается актуальной задача оптимизации параметров технологического процесса порционного вакуумирования, конструкции и размеров вакуум-камеры.

4.3.2 Циркуляционное вакуумирование

О циркуляционном принципе вакуумной обработки металла, реализованном в промышленности фирмой «Тиссен», впервые сообщили в 1959 году. Принцип получил название, как процесс RH (от названия фирм Ruhrstahl-Heraeus, ФРГ).

Процесс RH осуществляют в камере с огнеупорной футеровкой, оснащенной двумя патрубками, которые погружают в жидкий металл.

Схема процесса циркуляционного вакуумирования предстваленна на рисунке 7.



1 - бункера для ферросплавов; 2 - лотковый дозатор; 3 - бункер для подачи ферросплавов; 4 - вакуумная камера; 5 - погружной патрубок; 6 - сопла для подачи аргона; 7 - сталеразливочный ковш; 8 - тележка со сталеразливочным ковшом;

Рисунок 7 - Схема циркуляционного вакууматора

Патрубки погружены в расплавленный металл в ковше. Погружение патрубков осуществляют путем опускания самой камеры или при подъеме ковша. Когда из камеры начинают откачивать воздух, под действием атмосферного давления расплавленный металл поднимается в вакуумную камеру на барометрическую высоту, равную примерно 1,4 м, и покрывает подину камеры. Одновременно в нижнюю часть всасывающего патрубка подводится транспортирующий газ (аргон), который, увеличиваясь в объеме, поднимается по патрубку, приводит в движение металл и приподнимает уровень зеркала металла в камере. При этом из всасывающего патрубка, в вакуумную камеру поступает смесь примерно из одной части металла и 10 частей газа со скоростью - более 5 м/с. Над всасывающим патрубком расплав выпучивается, и из него выбрасываются брызги стали, причем для нераскисленной стали высота подъема брызг может достигать 10 м. Дегазированный металл под действием ферростатического напора, создаваемого разностью уровней 50-100 мм, со скоростью 1-2 м/с стекает по сливному патрубку в ковш, где перемешивается и вновь поступает на циркуляцию. Благодаря динамическому напору струя стали, попадая в ковш, достигает его дна, создавая эффективное перемешивание и усреднение состава и температуры стали.

Содержание растворенного кислорода в стали с начальной концентрации [О] - 0,006 %, при давлении 6,5-0,65 кПа в течение 10 мин обработки понижается до 0,002 %. Одновременно снижается суммарная концентрация кислорода, за счет удаления оксидных включений под влиянием турбулентных потоков металла.

Продолжительность вакуумной обработки определяют в зависимости от массы металла в сталеразливочном ковше и скорости циркуляции. Коэффициент циркуляции должен быть в пределах от 3 до 4. Количество расплава, поступающего в камеру за 1 мин, достигает 30% от массы стали в ковше, поэтому общая продолжительность обработки составляет 10-15 мин. В результате этого содержание водорода в стали снижается до (0,9-1,3)-10-4%.

Снижение температуры металла в процессе обработки при нагреве футеровки вакуумной камеры до 1450-1550 °С составляет 1,0-1,5 °С/мин. В случае более низкой температуры подогрева камеры скорость охлаждения металла может достигать 3-5 °С/мин и более. Это должно учитываться при определении температуры металла перед выпуском из сталеплавильного агрегата [16].

4.4 Ковшовые вакууматоры

4.4.1 Общая классификация установок ковшевого вакуумирования

Ковшовые вакууматоры основаны на одновременной обработке в вакууме всей массы металла, находящегося в ковше. При этом для эффективной вакуумной дегазации необходимо интенсивное перемешивание металла, осуществляемое, как правило, вдуванием инертного газа через донные или боковые фурмы. Вакуумная дегазация в ковше (процесс VD) может сочетаться с электродуговым нагревом (VAD -- вакуумно-дуговая дегазация) или с продувкой металла кислородом (VOD -- вакуум-кислородная дегазация, или окислительное вакуумирование) (рисунок 8).

Рисунок 8 - Способы ковшевого вакуумирования стали

Если вакуумно-дуговая дегазация в новейших агрегатах, внедряемых на металлургических заводах, не применяется из-за сложной конструкции и низкой производительности оборудования, то комбинированные агрегаты VD/VOD в последние годы все чаще находят применение при обработке особо низкоуглеродистых сталей [13].

В случае непосредственно накрывания ковша вакуум-плотной крышкой фланец вакуумного ковша и вакуумное уплотнение из-за близкого размещения к расплаву должны быть защищены от брызг, пыли, теплового излучения различными методами, среди которых увеличение свободного борта, применение теплового экрана, контролируемое снижение давления, применение ручных операций и другие. Так как при ковшовом вакуумировании обработке подвергается вся плавка, необходимо интенсивное перемешивание металла аргоном, который подводится через огнеупорные пробки, расположенные в нижней части ковша.

4.4.2 Двухпозиционный камерный вакууматор фирмы SIEMENS-VAI

Одной из перспективных установок ковшевого вакуумирования является двухпозиционный камерный вакууматор фирмы SIEMENS-VAI (рисунок 9).

1- вакуумная камера; 2 - крышка вакуумной камеры; 3 - тележка для откатки крышки вакуум-камеры; 4 - вакуумная система; 5 - система подачи легирующих материалов

Рисунок 9 - Двухпозиционный камерный вакууматор фирмы SIEMENS-VAI

Целесообразность использования двухпозиционной системы вакуумирования определяется возможностями плавильного, внепечного и транспортного оборудования цеха. А также наличие соответствующих площадей для размещения основного и вспомогательного оборудования.

В состав установки вакуумирования стали входит следующее основное оборудование:

- вакуумные камеры;

- крышки вакуумных камер;

- тележки для откатки крышек;

- вакуумная система;

- система подачи легирующих материалов.

Установка камерного вакуумирования фирмы SIEMENS-VAI имеет ряд преимуществ перед другими типами вакууматоров (порционным и циркуляционным). Основная из них - это возможность обработки всего объема металла и улучшения условий удаления газов и неметаллических включений за счет донной продувки аргоном под вакуумом.

На вакууматоре имеется возможности обработки металла порошковой проволокой с помощью трайбаппарата (силикокальций, алюминий и др.), и ввода ферросплавов и легирующих через специальные вакуумные бункера.