Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 2.5

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.

В последние десятилетия благодаря значительному прогрессу в области вакуумной техники и ковшевой металлургии существенно расширились технические и технологические возможности ковшевого вакуумирования, в частности, камерных вакууматоров [209]. Преимущество обработки в вакуумной камере (VD) заключается в возможности применения традиционных 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. В зависимости от решаемых задач технологические варианты ковшевого вакуумирования позволяют эффективно рафинировать расплав на любой стадии внепечной обработки.

Комплексный анализ всех аспектов вакуумной обработки расплава показывает, что способ камерного вакуумирования имеет широкие технологические возможности рафинирования стали под вакуумом, простую конструкцию и требует меньших капитальных затрат [210]. 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 и вакуумпровод.

Вакуумная камера состоит из двух основных частей: собственно камеры и крышки. Крышка установлена на транспортной тележке и может вертикально перемещаться с помощью гидропривода. 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 и 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 [211, 212].

Вакуумирование нераскисленной стали позволяет наиболее полно реализовать известные 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. То есть, 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 за счет раскисления углеродом под вакуумом достичь максимально возможного снижения концентрации кислорода в стали, величина которого позволяет избежать образования в металле жидких или твердых продуктов раскисления после ввода добавок.

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 снизить 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 особо чистой стали, свободной от крупных оксидных включений и их локальных скоплений.

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 вглубь 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 и доли оксидов железа в покровном шлаке можно получить заданное содержание кислорода в металле. Вакуумная обработка частично раскисленного металла заканчивается тогда, когда кипение металла при достигнутом конечном давлении затухает. 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 со 110 ррm до 70 ррm при обычном вакуумировании в течение 10 мин и даже до 40 ррm в случае продолжительного вакуумирования [209].

Таким образом, если главной задачей вакуумирования является удаление из металла газов (водорода и азота), то следует стремиться к получению в расплаве минимального содержания поверхностно-активных 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 [162]. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима.

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 массопередачей 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.

На практике нагрев металла в течение цикла обработки на УКП (30-35 мин) гарантированно обеспечивает получение заданного перегрева расплава. Дальнейшее нахождение металла на установке часто связано с необходимостью получения требуемого содержания серы в стали. Действительно, как показывает практика, при параллельном проведении операций десульфурации и нагрева на УКП степень использования трансформатора составляет около 50 %, что влечет за собой повышение расходов по переделу и снижению производительности [25].

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 [23].

  Раздел 2.5
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ