Металлургические мини-заводы
  3.5 Вакуумная обработка расплава в ковше

Технологические процессы вакуумирования стали вносят весомый вклад в повышение качества металлопродукции, в связи с чем они получают все большее распространение. Так, согласно экспертному прогнозу объем вакуумируемой стали к концу десятилетия в сравнении с 1999 г. возрастет более чем в три раза и составит около 15-18 % [148].

Известно, что еще в 1893 г. на заводе германской компании «Bohmer Feraine» была опробована разливка стали под вакуумом. В 1914 г. в Бельгии вакуумировали 2,5 т плавки, а в 1932-1935 гг. опыты по вакуумной обработке проводили на заводах «Shkoda» в Чехословакии [301]. В Советском Союзе начиная с 1940 г. А.М.Самарин и Л.М.Новик разработали технологию вакуумирования. С 1950 г. компания «Bohmer Feraine» начала промышленное опробование различных методов вакуумирования стали. Сразу же после проведения первых промышленных экспериментов, в том числе и в СССР – ковшевое вакуумирование на Енакиевском металлургическом заводе в Донбассе (1952 г.) - металлурги увидели насколько значительны результаты нового метода и начали разработку поточных способов вакуумирования. Основная идея этих способов базировалась на повышении скорости массообменных процессов в металле под вакуумом путем [245, 252, 288]:

  • порционного вакуумирования стали (DH компания «Der-munder Herder Huttenunion» - 1956 г., ФРГ) в ковшах большой вместимости с целью активизации процессов в мелкой ванне камеры вакууматора (8-12% от общей массы) и последующим возвращением обработанной порции металла в ковш;
  • непрерывного вакуумирования потока расплава (циркуляционное вакуумирование RH компании «Ruhrstahl» и «Heraeus» - 1959 г., ФРГ) в больших ковшах, где во входной патрубок вводят инертный газ с целью организации контура циркуляции, активизации реакции окисления углерода и экстракционных процессов;
  • организации перемешивания расплава в ковшах небольшой высоты и вместимости под герметичной крышкой (ASEA-SKF, Швеция, 1965 г.) либо в камерном вакууматоре (VD) c использованием газодинамичного перемешивания.

Очевидно, что первые методы вакуумирования имели серьезные технические и технологические ограничения. 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. Следовательно, если условия для кипения отсутствовали, концентрация кислорода, водорода и азота в стали по окончании вакуумирования намного превышала требуемые значения.

Недостатки ковшевого вакуумирования раскисленной стали пытались устранить путем продувки метала аргоном и гелием (1958 г., ФРГ и 1959 г., США) или его электромагнитным перемешиванием (1962 г, ФРГ и США).

В случае порционного вакуумирования, после каждого цикла смешивания обработанной порции стали с металлом в ковше, движущая сила реакций рафинирования в ванне камеры вакууматора снижается и эффективность обработки каждой последующей порции расплава падает. В перерывах между обработками вакууматоры такого типа требуют поддержания высокой температуры футеровки вакуумной камеры и, следовательно, дополнительных затрат из-за потерь энергии и повышения расхода огнеупоров. Кроме того, необходимо отметить, что увеличение объема вакуумкамеры, а, следовательно, и массы обрабатываемого металла на раннем этапе развития ковшевой металлургии лимитировала низкая производительность вакуумных насосов. Тем не менее, такой подход позволил обеспечить поточное производство вакуумированной стали. Вакууматоры DH и RH совершенствовались и получили довольно широкое распространение, что позволяет по настоящее время эксплуатировать их на крупных металлургических заводах, имеющих плавильные агрегаты большой вместимости и высокой производительности [289]. Однако, стоит отметить, что в последние 15–20 лет агрегаты DH и RH практически не сооружались (табл. 3.7).

Таблица 3.7. Основные параметры вакууматоров SMS Demag (1988-2004 гг.)

Основные параметры вакууматоров SMS Demag

Основные параметры вакууматоров SMS Demag

Вероятно, это связано с тем, что благодаря значительному прогрессу в области вакуумной техники и ковшевой металлургии существенно расширились технические и технологические возможности ковшевого вакуумирования, в частности, камерных вакууматоров [290]. Преимущество обработки в вакуумной камере (VD) над обработкой в ковше под вакуумной крышкой заключается в возможности применения обычных ковшей, обеспечении более простого и надежного способа уплотнения крышки с камерой и, как следствие, более низкой скорости "натекания". Технология камерного вакуумирования параллельно с дегазацией обеспечивает интенсивное проведение реакций между шлаком и металлом, что благоприятствует таким металлургическим процессам, как десульфурация и удаление неметаллических включений из стали. При этом в отличие, например, от циркуляционного вакууматора, высокая чистота металла может быть уже достигнута в ходе одного технологического этапа (табл.3.8).

Таблица 3.8. Сравнительная характеристика возможности рафинирования стали при вакуумировании [132]

Сравнительная характеристика возможности рафинирования стали при вакуумировании

Комплексный анализ всех аспектов вакуумной обработки расплава в условиях мини-завода показывает, что способ камерного вакуумирования имеет более широкие технологические возможности рафинирования стали под вакуумом, простую конструкцию и требует меньших капитальных затрат [291]. Кроме того, объем работ по обслуживанию камерного вакууматора минимален, а процесс обработки достаточно надежно контролируем и управляем. Оборудование камерного вакууматора не контактирует с жидкой сталью, не требует специальных огнеупоров для футеровки, нет необходимости в ее предварительном подогреве, на показатели процесса не влияет периодичность и темп работы.

В состав камерной установки для вакуумирования стали в ковше входит: высокопроизводительный пароэжекторный вакуумный насос, вакуумкамера с крышкой, вакуумпровод.

Технические параметры пароэжекторного вакуумного насоса ПЭВН 500*0,5 представлены ниже:

  • рабочее давление на входе в основной насос, мм рт.ст. 0,5;
  • давление (абс.) на выходе из насоса, мм рт.ст. 830;
  • производительность насоса по сухому воздуху с t=20°С при рабочем давлении на входе, кг/ч 500;
  • продолжительность откачки вакуумкамеры и вакуумпровода от атмосферного давления до рабочего, мин 6.

Вакуумная камера состоит из двух основных частей: собственно камеры и крышки. Крышка установлена на транспортной тележке и может вертикально перемещаться с помощью гидропривода.

Основные элементы вакуумкамеры: корпус вакуумкамеры с уплотнительным каналом; стенд с направляющими для установки ковша; отверстие-мембрана с термодатчиком для аварийного слива стали; соединительный патрубок вакуумпровода с камерой; система подачи аргона и азота для разгерметизации. Крышка с тележкой вакуумкамеры размещает следующие устройства: защитный тепловой экран с элементами подвода и отвода охлаждающей воды; систему телевизионного контроля процесса вакуумной обработки; устройство отбора проб и замера температуры; фурму для продувки стали кислородом (при необходимости); шлюзовые устройства для ввода легирующих добавок. Во избежание выплесков шлака и металла из ковша во время обработки свободный борт ковша увеличивают на 0,6-1 м.

Опыт работы ряда отечественных и зарубежных металлургических заводов доказал высокую эффективность применения одно- и двухкамерных вакууматоров для внепечной обработки стали [243, 292].

В зависимости от решаемых задач технологические варианты ковшевого вакуумирования позволяют эффективно рафинировать расплав на любой стадии внепечной обработки.

Вакуумирование нераскисленной стали позволяет наиболее полно реализовать общеизвестные преимущества углерода как раскислителя. Благодаря вакууму равновесие реакции взаимодействия растворенных в стали углерода и кислорода сдвигается в сторону образования газообразных продуктов, что позволяет дополнительно раскислить сталь углеродом и уменьшить количество оксидных включений, образующихся в ходе окончательного глубинного раскисления металла. Однако, в промышленных вакуумных установках равновесие между углеродом и кислородом, растворенными в стали, не достигается. Основные причины этого явления заключаются в следующем:

  • при исключительно малых концентрациях взаимодействующих веществ, скорость химической реакции уменьшается настолько, что не позволяет за время обработки даже приблизиться к состоянию термодинамического равновесия;
  • практика промышленного вакуумирования показывает, что даже небольшое количество FeO в рафинировочном шлаке (до 1%) в значительной степени способствует тому, что равновесие реакции не достигается.

Так, при давлении в 100–200 Па расчетное произведение равновесных концентраций углерода и кислорода составляет около 2,5 – 5,9*10-6, однако, ход реакции обезуглероживания (раскисления углеродом) прекращается вблизи равновесной кривой, соответствующей Р = 1-10 кПа, т. е. реальная остаточная концентрация углерода и кислорода в стали после вакуумирования на несколько порядков выше равновесной, рассчитанной в тонком приповерхностном слое металла в ковше. Поэтому возникает задача обеспечения за счет раскисления углеродом под вакуумом максимально возможного снижения концентрации кислорода в стали, величина которого позволяет избежать образования в металле жидких или твердых продуктов раскисления после ввода добавок.

Кроме того, многочисленными исследованиями установлена прямая связь содержания (% FeO) перед вакуумированием, а также концентрации кислорода до и после вакуумирования с величиной среднего балла оксидов и конечной концентрацией кислорода в стали [293].

В связи с этим для обеспечения высокой степени реализации раскислительной способности углерода в условиях вакуума необходимо:

  • применять основную футеровку сталеразливочных ковшей, в состав которой входят трудновосстановимые оксиды;
  • поддерживать высокую основность шлака и минимальное содержание оксидов железа в нем;
  • перемешивать расплав в ковше инертным газом для облегчения условий зарождения продуктов реакции окисления углерода.

Как показывает практика, при содержании углерода в стали около 0,50 % за счет вакуумно-углеродного раскисления концентрацию кислорода в металле удается понижать до 0,002 - 0,003 %, что ниже равновесной с содержанием кремния, но выше равновесной с растворенным в металле алюминием. Поэтому при вводе кремния в металл после вакуумно-углеродного раскисления первичные эндогенные включения не образуются. За счет снижения содержания растворенного в стали кислорода путем раскисления углеродом под вакуумом последующее осаждающее раскисление протекает с минимальным угаром раскислителей. Такой способ обработки рекомендуется для производства свободной от крупных оксидных включений и их локальных скоплений особо чистой стали.

Для предотвращения чрезмерно бурного развития под вакуумом реакции окисления углерода проводят частичное раскисление стали путем повышения в ней содержания кремния и (или) алюминия. Благодаря перемешиванию металла и применению сравнительно небольшого количества раскислителей, возможно достижение такой же высокой степени чистоты стали по оксидным включениям, как и при вакуумировании стали в нераскисленном виде.

При обработке частично раскисленной стали (0,15 % Si и 0,005% Аl) реакция окисления углерода начинается при давлении 30 – 50 кПа. Дальнейшее снижение давления до 100 - 200 Па позволяет постепенно увеличить интенсивность кипения, которое достигает своего наибольшего значения и поддерживается в течение некоторого времени на определенном регулируемом уровне. Затем наступает постепенное затухание процесса кипения.

Механизм процесса при ковшевом вакуумировании сводится к следующему. Дополнительное (к продувке аргоном) интенсивное выделение из глубинных слоев металла пузырей оксидов углерода, образующихся в результате смещения равновесия между растворенными углеродом и кислородом при понижении давления, создает мощные турбулентные потоки, охватывающие весь объем металла. При таком характере кипения шлак уносится в глубь ковша и дробится, значительно увеличивая межфазную поверхность, что обеспечивает дополнительное возрастание скорости потока кислорода из шлака в металл. Это способствует дальнейшему развитию реакции окисления углерода и значительному увеличению объема выделяющегося оксида углерода. Интенсивное кипение ванны создает необходимые кинетические условия для протекания реакции взаимодействия углерода с кислородом и выделения растворенного водорода и азота.

В зависимости от количества окисляемого углерода, доли оксидов железа в покровном шлаке можно получить заданное содержание кислорода в металле. В течение всего периода дегазации проводится наблюдение за поведением металла под крышкой вакуумной камеры. Скорость набора вакуума регулируется в зависимости от интенсивности кипения. В отдельных случаях, для предотвращения чрезмерно бурного вскипания расплава и перелива его через край ковша, в вакуумную камеру производится напуск нейтрального газа. При перемешивании расплава инертным газом его расход по мере снижения давления в вакуумной камере необходимо понижать, чтобы исключить чрезмерно бурную продувку. Вакуумная обработка частично раскисленного металла заканчивается тогда, когда кипение металла при достигну-том конечном давлении затухает.

На основании практических данных АО «НКМЗ», снижение температуры металла в ковше массой 100 т при вакуумной обработке составляет от 70 до 80 °С, а собственно вакуумная обработка частично раскисленной стали (глубокий вакуум) продолжается 15 - 20 мин.

По окончании вакуумирования проводится отключение насосов и в течение 1 - 2 мин в вакуумную камеру напускается нейтральный газ или в начале нейтральный газ, а затем воздух.

Газообразные продукты реакции увеличивают объем и площадь поверхности пузырей аргона и при прочих равных условиях облегчают экстракцию растворенного в металле водорода и азота, поэтому дегазация при вакуумировании нераскисленной и полураскисленной стали проходит быстрее и полнее, чем в случае полностью раскисленной.

Вместе с тем, способ вакуумирования нераскисленной и полураскисленной стали не гарантирует получение низкого содержания газов в готовой продукции в силу ряда причин, одна из которых заключается в том, что, после окончания вакуумной обработки, как правило, требуется проведение нагрева, перемешивания, легирования, раскисления, науглероживания и десульфурации.

С другой стороны, при обработке расплавов промышленной чистоты эффективность удаления азота обычно не превышает 15 – 30 %. При этом анализ влияния состава металла на результаты обработки дает основания полагать, что уменьшение эффективности дегазации непосредственно связано с наличием в расплаве поверхностно-активных веществ. Этот факт подтверждается рядом исследований, на основании которых, например, установлена тесная зависимость между концентрацией азота и серы в стали по окончании обработки. Так, при уменьшении концентрации серы в стали с 0,010 до 0,003 % за счет десульфурации металла рафинировочным шлаком в ходе вакуумной обработки содержание азота (начальная концентрация [N]=0,0050 %) снижается на 12 и 18 % соответственно. При этом эффективность деазотации стали существенно увеличивается, когда остаточное содержание серы в металле составляет не более 0,003%. В последнем случае происходит стабильное удаление азота с 110 до 70 ррм при обычном вакуумировании в течение 10 мин и даже до 40 ррм в случае продолжительного вакуумирования [290].

Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла газов (водорода и азота), то следует стремиться к получению в расплаве минимального содержания поверхностноактивных примесей. Таким требованиям соответствует глубоко раскисленная сталь на конечной стадии ковшевой обработки.

Для получения низкого содержания водорода и азота широко применяют технологию вакуумирования раскисленной стали непосредственно перед разливкой, которая может сочетаться с экстракционным удалением серы путем параллельной с вакуумированием обработкой рафинировочным шлаком.

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела взаимодействующих фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. Установлено, что заметное увеличение скорости массообменных процессов наблюдается при повышении величины удельной мощности перемешивания металла до уровня 200 - 300 Вт/т [245]. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима. Результаты оценки зависимости мощности перемешивания от расхода вдуваемого газа и давления в вакуумкамере представлены на рис. 3.9. Из представленных данных следует, что под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат пневматического перемешивания металла, так как величина мощности перемешивания при снижении давления до практически достижимых в вакуумной камере значений увеличивается в четыре-пять раз.

Оценка эффективности перемешивания инертным газом раскисленной стали в ковше под вакуумом

Рис. 3.9. Оценка эффективности перемешивания инертным газом раскисленной стали в ковше под вакуумом

Величина расхода аргона, необходимого для дегазации стали, быстро уменьшается при понижении давления над поверхностью расплава. В связи с этим сочетание продувки стали инертным газом и вакуумной обработки является весьма эффективным средством дегазации металла. Так, согласно теоретическим расчетам, для получения в стали остаточного содержания водорода ниже 1,5 ррm под атмосферным давлением необходимо ввести в 100-тонный сталеразливочный ковш не менее 700 м3 аргона. При продувке инертным газом под вакуумом (0,01 и 0,001 атм.) количество газа значительно снижается и составляет 14 и 8 м3 соответственно.

В связи с этим продувка стали аргоном в сталеразливочном ковше под вакуумом всегда сопровождается существенной дегазацией металла.

Известно, что вакуумированный металл в сравнении с невакуумированным при равном содержании серы имеет более высокую долю сульфидных включений. Это объясняется, прежде всего, более низким содержанием оксидных включений в вакуумированной стали, в результате чего сульфидные включения в меньшей степени откладываются на оксидах и выделяются в отдельную фазу в более грубой форме. Проблема сульфидных включений в вакуумируемой стали решается тем, что в металле необходимо иметь достаточно низкую концентрацию серы.

Для процесса десульфурации, который протекает в диффузионной области, скорость взаимодействия ограничена массоопередачей веществ в объеме металла или шлака. На основании вышеизложенного следует, что самой «медленной» технологической операцией, которая ограничивает производительность участка внепечной обработки, как правило, является процесс десульфурации стали. Действительно, при скорости десульфурации, 3-5 ppm/мин (для стали с начальным содержанием серы около 0,025 %) десульфурация на 0,015 - 0,020 % занимает примерно 40 - 60 мин. Учитывая, что максимальная скорость нагрева металла составляет около 4 °С/мин, за время десульфурации при работе с включенным трансформатором можно повысить температуру стали в ковше на 160 - 240 °С. То есть, вполне очевидна диспропорция для установки «ковш-печь» между скоростью нагрева металла и десульфурации.

На практике нагрев металла в течение цикла обработки на установке «ковш-печь» (30-35 мин) гарантированно обеспечивает получение заданного перегрева расплава. Дальнейшее нахождение металла на установке часто связанно с необходимостью получения требуемого содержания серы в стали. Действительно, как показывает практика, при параллельном проведении операций десульфурации и нагрева на установке «ковш-печь» степень использования трансформатора составляет около 50 %, что влечет за собой повышение расходов по переделу и снижению производительности.

Поэтому в процессе внепечной обработки стали применяется технология непрерывной десульфурации, которая начинается сразу после наведения шлака на установке «ковш-печь» и заканчивается по окончании вакуумирования, включая продувку металла в ковше инертным газом в позиции ожидания. Данное мероприятие позволяет сократить продолжительность пребывания металла в ковше, повысить степень использования трансформатора и сократить потери тепла. Завершающий этап десульфурации стали, который проводят в камерном вакууматоре, позволяет достичь чрезвычайно низкого содержания серы (до 0,001 %), а за счет интенсивного перемешивания металла со шлаком без доступа воздуха предупредить опасность поглощения азота и окисления расплава в ходе обработки, что существенно повышает результат рафинирования.

  3.5 Вакуумная обработка расплава в ковше
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ