Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
 Скачать 7.23 Mb.
|
|
19.1.4. Стадии вакуумирования. Учитывая широкое применение углеродного раскисления, в ЦНИИТмаше было проведено специальное исследование, результаты которого показаны на рис. 19.1, б и в. На основании визуального наблюдения процесс вакуумирования разделили на три стадии: бурное кипение металла, начинающееся при ро = 50 — 100 гПа (I), затем постепенное снижение интенсивности кипения, снижение р0до 25—50 гПа (II) и слабое кипение металла только у стенок ковша при р0< 10 гПа(III). Исследование показало, что на стадии / происходит раскисление главным образом шлака, содержание кислорода в металле снижается незначительно, интенсивность и продолжительность стадии I определяется степенью окисленности шлака (рис. 19.1,6). Окончание стадии I характеризует приближение содержания кислорода к равновесному в металле и шлаке. К концу стадии I происходит дальнейшее раскисление металла; к концу стадии II шлак и футеровка ковша вновь становятся окислителями по отношению к металлу; на стадии III эта ситуация сохраняется. В этих условиях раскисление шлака молотым ферросилицием приводит к снижению его окисленности и превращает в восстановительный по отношению к металлу; существенно уменьшается содержание кислорода в металле — до уровня равновесного с PO = 200 —300 гПа. Дополнительное перемешивание металла в этот период при донной продувке аргоном, способствующее протеканию окислительно-восстановительных процессов по всей высоте металла, приводит к дополнительному снижению кислорода до равновесного P0=150 —200гПа. Было также установлено, что количество удаляемого при вакуумировании водорода во многом определяется количеством окисляемого при этом углерода при скорости окисления последнего около 0,003 %/мин (рис. 19.1, в). Таким образом, в данном случае при вакуумировании металла в ковше конечное содержание в нем водорода определяется не только и не столько величиной ро ( в пределах 2 —50 гПа), сколько количеством окисляемого при этом углерода и интенсивностью продувки металла аргоном на III стадии вакуумирования. Роль реакции окисления углерода, как и роль перемешивания ванны аргоном, весьма существенна, и это следует обязательно учитывать. 19.1.5. Удаление включений. Интенсивное перемешивание металла пузырями выделяющихся при вакуумировании газов обеспечивает также удаление в результате флотации части неметаллических включений, «прилипших» к пузырям газа и уносимых вверх, в шлак. Для того чтобы прилипание неметаллических включений к поднимающимся пузырям газа совершилось, необходимо, чтобы смачиваемость газового пузыря неметаллическим включением была лучше (т. е. малая величина  вкл_г), чем смачиваемость этим же неметаллическим включением металла (т. е. большое значение вкл.м). В большинстве случаев имеет место именно такое соотношение: вкл.г < вкл.м, и газовые пузыри при этом как бы промывают металл, очищая его от неметаллических включений. В результате выделения большого количества газовых пузырей в процессе обработки вакуумом металл перемешивается, становится более однородным, выравниваются его состав и температура. В тех случаях, когда металл содержит повышенные концентрации примесей цветных металлов (свинец, сурьма, олово, цинк и др.), определенная часть их при обработке вакуумом испаряется.19.1.6. Современные способы вакуумирования и внепечной обработки. Схема обработки жидкой стали вакуумом была предложена еще Г. Бессемером. Практическое использование метода внепечного рафинирования для повышения качества металла относится к началу 50-х годов XX в. В СССР работы по исследованию влияния понижения давления на процессы газовыделения были начаты в конце 30-х годов, а первая промышленная установка обработки металла вакуумом в ковше опробована на Енакиевском металлургическом заводе по инициативе ученых ИМЕТ АН СССР А. Самарина и Л. Новика в 1952—1954гг. Ковш с металлом опускали в камеру, которую затем плотно закрывали крышкой и из закрытой камеры откачивали воздух (рис. 19.2 — см. на цветной вклейке). Существенное влияние на развитие методов обработки металла вакуумом оказали успешные опыты, проведенные в ФРГ по обработке вакуумом стали, используемой для изготовления крупных слитков с целью предотвращения дефектов, связанных с содержанием в металле водорода. На предприятии «Bochumer Verein» в 1952 г. использован один из таких методов, названный методом BV. В вакуумную камеру помещали изложницу; струя металла из ковша, проходя через вакуумированное пространство вакуумной камеры, разбрызгивалась, и при этом значительная часть содержащихся в металле газов (прежде всего водорода) удалялась. Вакуумированный металл содержал небольшое количество водорода и становился не-флокеночувствительным. В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечной обработки разнообразных конструкций (схемы наиболее распространенных конструкций см. на рис. 19.3, а и б на цветной вклейке). Самым простым способом является способ вакуумирования в ковше. К недостаткам вакуумирования в ковше относятся невысокая эффективность метода при вакуумировании относительно больших масс металла (> 50 т) и неравномерность состава металла в ковше после ввода раскислителей и легирующих вследствие слабого перемешивания всей массы металла. Этого можно избежать, предусмотрев продувку металла в ковше инертным газом или электромагнитное перемешивание. При продувке металла инертным газом к обычным потерям тепла при выпуске и при выдержке в ковше добавляются потери тепла на нагрев газа, продуваемого через металл. При электромагнитном перемешивании этот недостаток ликвидируется, однако для электромагнитного перемешивания требуется более сложное и дорогостоящее оборудование. В настоящее время наиболее распространены следующие способы обработки металла вакуумом в ковше. 1. Ковш с металлом помещают в вакуумную камеру, организуют перемешивание металла инертным газом; рас-кислители вводят в ковш из бункера, также находящегося в вакуумной камере (см. рис. 19.2 на цветной вклейке); 2. Металл вакуумируют при переливе из ковша в ковш или из ковша в изложницу, т. е. обработке вакуумом подвергается струя металла (метод называют струйным вакуумированием, или вакуумированием струи). 3. Металл под воздействием ферро-статического давления засасывается примерно на 1,48 м (рис. 19.4) в вакуумную камеру, которую через определенные промежутки времени поднимают, но так, чтобы конец патрубка все время оставался опущенным в металл в ковше. Металл из камеры сливается по патрубку в ковш, затем камеру опускают, и под действием разрежения в нее засасывается очередная порция металла (метод называют порционным вакуумированием)1. В некоторых случаях поднимают и опускают не вакуумную камеру, а ковш с металлом, а камера остается неподвижной. 4. Два патрубка вакуумной камеры погружают в металл; порция металла засасывается в камеру (рис. 19.5,а). По одному из патрубков начинают подавать инертный газ, в результате чего металл по нему направляется вверх, в вакуум-камеру, а по другому — стекает в ковш, циркулируя таким образом через установку (метод называют циркуляционным вакуумированием)2. 'За рубежом распространено обозначение процесса как DH, по первым буквам названия предприятия «Dortmund-Horder» (Германия). 2 За рубежом распространено обозначение процесса как RH, по первым буквам названия предприятия «Ruhrstahl-Heraeus» (Германия). Условия дегазации при обработке вакуумом различными методами неодинаковы; соответственно различно содержание газов, получаемое при ва-куумировании (рис. 19.5,6). Лучшие результаты достигаются при вакууми-ровании металла, не подвергаемого предварительному раскислению сильными раскислителями. Так как при  Рис. 19.4. Схема процесса порционного ваку-умирования: / — металл; 2— ковш; 3 — огнеупорный патрубок; 4 — вакуумная камера; 5 — к вакуум-насосу; 6 — бункер для введения добавок  Рис. 19.5. Схема RH-процесса (а) циркуляционного вакуумирования (см. на цветной вклейке); б— типичные пределы содержания водорода в металле по окончании обработки его вакуумом (/— обработка нераскисленного металла; //— обработка металла, раскисленного кремнием и алюминием; / — вакуу-мирование струи; 2—циркуляционное ваку-умирование; 3—вакуумирование в ковше) этом происходит бурное вскипание металла, необходимо уделять особое внимание правильному расчету объема ковша для предотвращения возможного выплеска металла. Для изготовления камер порционного и циркуляционного вакуумирования требуются очень высококачественные огнеупоры, особенно для изготовления патрубков. При подогреве футеровки вакуумных камер до 1500 °С тепловые потери при обработке плавок массой > 50 т невелики и снижение температуры металла в процессе обработки не превышает 1° С/мин. Потери тепла при вакууми-ровании заметно снижаются при использовании больших по вместимости установок (до 200—300 т металла в ковше) и увеличении интенсивности обработки. Например, при обработке металла в 330-т ковше на установке порционного вакуумирования при пяти операциях за 1 мин по 30 т металла, закачиваемого в вакуумную камеру, интенсивность обработки возрастает до 150 т/мин. В настоящее время еще не накопилось достаточно информации, чтобы установить, какой из двух наиболее распространенных способов обработки вакуумов предпочтительнее — порционный или циркуляционный. Установки порционного вакуумирования стремятся использовать в тех случаях, когда в цехе имеется разнообразный сортамент легированных сталей (проще организовать подачу разных порций ферросплавов и равномерное их растворение в массе металла). Способы порционного и циркуляционного вакуумирования обеспечивают примерно одинаковую степень удаления из стали водорода; вместе с тем при циркуляционном способе имеется дополнительная возможность воздействия на процессы удаления примесей путем изменения интенсивности подачи транспортирующего инертного газа (в один из патрубков), что очень важно, например, при производстве особонизкоуглеродистого металла. Метод и сама конструкция аппарата обеспечивают возможность ввода в металл окислителей и флюсов. Например, при подаче в металл в процессе циркуляционного вакуумирования десульфурирующих смесей (на основе извести и плавикового шпата) одновременно с дегазацией можно проводить десульфурацию металла. Флюсы в виде порошка (или небольших кусков) вводят обычно в камеру над всасывающим патрубком. Таким образом, вакуумирование целесообразно использовать в сочетании с другими методами внепечной обработки (продувкой аргоном, обработкой шлаком и др.). Методы вакуумной обработки стали непрерывно совершенствуются; предлагаются новые решения, позволяющие получать металл высокого качества с использованием более простых методов. Примером может служить разработанный на одном из японских заводов так называемый метод РМ ' (рис. 19.6 — см. на цветной вклейке). На установке такого типа обрабатывают 100-т плавки конвертерного металла. Сущность метода заключается в переменном включении и выключении подачи аргона и вакуумного насоса, вследствие чего металл в цилиндре (и в ковше) интенсивно пульсирует, что обеспечивает высокую степень его рафинирования. Достоинством установки является возможность высокоэффективной работы без глубокого вакуума. Основные параметры процесса РМ: цилиндр имеет внутренний диаметр 300 мм, наружный — 600 мм, длину — 3000 мм; рабочим газом служит аргон (давление > 1 МПа, или 10 атм); интенсивность откачки вакуумным насосом 10 м3/мин; продолжительность операции нагнетания < 1 с; операция откачки < 5 с; глубина погруже-fOO мм; рабочее давление 50— а. шером может служить также непрерывного (поточного) вакуумирования при разливке, разработанный в Липецком политехническом институте под руководством проф. Г. А. Соколова и внедренный на НЛМЗ. Метод основан на принципе вакуумной дегазации струи и слоя металла в проточной камере, расположенной между сталеразливочным и промежуточным ковшами (рис. 19.7). Рафинированная сталь поступает в промежуточный ковш по металлопро-воду, погруженному под уровень металла. 'От англ. Pulsation-Mixing — пульсирующее перемешивание. Достоинствами метода являются одновременное решение таких про-  Рис. 19.7. Схема установки поточного ваку-„ умирования металла: 1 — сталеразливочный ковш; 2— шиберный затвор; 3 — отсос газов; 4— вакуум-камера; 5—ввод алюминиевой проволоки; 6— промежуточный ковш; 7— кристаллизатор; 8— непрерывный слиток блем, как: 1) вакуумирование в потоке; 2) защита струи от вторичного взаимодействия с атмосферой; 3) повышение эффективности вакуумирова-ния в результате движения струи через вакуумированное пространство, в котором происходят ее раскрытие и диспергирование до капель с соответствующим увеличением поверхности контакта металл—газовая фаза (вакуум). Увеличение степени дисперсности струи жидкого металла достигается и другими способами. Так, успешно опробован предложенный В. Г. Ивановым метод вакуумной обработки стали в струе с воздействием электродуговым разрядом (так называемая электровакуумная обработка). Сущность процесса заключается в подведении к струе электрического поля и пропускании через струю тока с возбуждением электродугового разряда в струе над зеркалом металла в приемной футерованной емкости. При возбуждении электродугового разряда происходит взрывное разрушение струи в зоне дуги в результате образования быстроускоряющихся потоков сильно нагретого расширяющегося газа (плазмы), способствующих диспергированию металла. Измельчение капель металла увеличивает их активную поверхность взаимодействия, а следовательно, и обеспечивает более ускоренное и глубокое рафинирование металла. 19.1.7. Обезуглероживание при вакуумировании. При обработке вакуумом нераскисленного металла интенсивность протекания реакции [С] + [О] = = СОГ резко возрастает, газовыделение приобретает бурный характер. Обезуглероживание расплава происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхностях капель фонтанирующего металла в камере и пузырей газа во всасывающей трубе. При повышении расхода подаваемого во всасывающую трубу газа интенсивность обезуглероживания заметно возрастает; при этом повышается доля (до 30—40 %) углерода, окислившегося на поверхностях капель фонтанирующего металла, а также на поверхности пузырей газа. На примере обработки конвертерного металла в 275-т ковшах на рис. 19.8 показано, как изменяется содержание углерода в зависимости от расхода транспортирующего газа в установке циркуляционного вакуумирования. При этом различие интенсивности обезуглероживания наблюдается в течение всего периода обработки. Подача в патрубок аргона способствует заметному повышению эффективности работы порционных ваку-  Рис. 19.8. Изменение содержания углерода в процессе циркуляционного вакуумирования при различном расходе транспортирующего газа: штриховые линии — расход газа 1500 л/мин; сплошные линии — расход газа 3000 л/мин  Рис. 19.9. Изменение содержания углерода (а) и водорода (б) в процессе порционного вакуумирования в 300-т ковше стали, содержащей, %: 1 — 0,2 С, 1,3 Si, 0,5 Мп; 2 - 0,7 С, 0,2 Si, 0,5 Мп уматоров. При этом ускоряются как окисление углерода, так и удаление водорода (рис. 19.9). Таким образом, совершенствование методов вакуумной обработки (с целью дегазации металла) привело к созданию технологий, позволивших организовать производство особонизкоуглеродистых сплавов. 19.2. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ВАКУУМОМ И КИСЛОРОДОМ Для интенсификации процесса обезуглероживания вакуумные установки в ряде случаев дополняют устройствами для одновременной продувки металла кислородом. На таких установках удается в необходимых случаях получать особо высокую степень обезуглероживания. Для реакции [С] + 1/2 02(г) = СОГ К=  , откуда   т. е. равновесие реакции при вакуумировании сдвигается вправо, продувка кислородом вызывает дальнейший сдвиг равновесия и обеспечивает еще большее снижение содержания [С]. Этот принцип положен в основу так называемого вакуум-кислородного обезуглероживания1. Применительно к установкам циркуляционного вакуумирования процесс обезуглероживания ускоряется при введении кислорода для продувки или обдувки металла непосредственно в камере циркуляции. Процесс получил название RH-OB * (рис. 19.10 — см. на цветной вклейке). Получение очень низких концентраций углерода особенно важно для ряда марок высокохромистой (например, коррозионностойкой) стали, а также некоторых марок специальных сталей и сплавов. Операция обезуглероживания высокохромистых сталей в обычных условиях затрудняется тем, что одновременно с углеродом окисляется хром и образуются оксиды хрома. Для получения низкоуглеродистой высокохромистой стали требуется значительный перегрев металла (рис. 19.11). При обработке вакуумом равновесие реакции (Сг2О3) + 3[С] = 2[Сг] + ЗСОГ, для которой  сдвигается вправо, поскольку уменьшается рсои хром не только не окисляется, но *и восстанавливается из шлака. Таким образом, в вакууме можно получить низкие концентрации углерода без заметных потерь хрома; при этом одновременно с обезуглероживанием протекают процессы удаления из ванны газов и неметаллических вклю чений, т. е. при вакуумировании стали, содержащей углерод, обеспечиваются благоприятные условия для восстановления хрома. 1 За рубежом распространено обозначение процесса как VOD (от англ. Vacuum, Oxygen, Decarburisation— вакуум, кислород, обезуглероживание). 2RH-OB (от англ, oxygenblowing— продувка кислородом).  |