ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНЕПЕЧНОГО РАФИНИРОВАНИЯ

Обработка металла вакуумом влияет, как известно, на про­текание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО), при протека­нии процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных ме­таллов.

В стали практически всегда содержится определенное ко­личество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = СО_газ, К = р_со/а а при обработке вакуумом сдвигается впра-

во, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углеро­да.

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 этих включений:

ШеО) + [С] = Me + СО_газ; К =

^e(AfeO)^e[C]

о а ^FCO We

(МеО) К ■ а

I *-1

Более слабые включения, такие например, как МпО или Сг₂0₃, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, таких, например, как А1₂О_э или ТЮ_г, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концент­рации кислорода в металле ("окисленности" металла) при обработке вакуумом за счет реакции окислениия углерода получило название "углеродное раскисление".

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в металле определяется при прочих равных усло­виях давлением водорода в газовой фазе [Н] = Ю> р . При

"2

снижении давления над расплавом равновесие реакции 2[Н] *=± Н_2газ сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (£>„ = 1,2*1,5 ■ Ю^-3 см/с), и в резуль­тате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Равновесие реакции 2[N] 5=± N_2ra3 при снижении давле­ния также сдвигается вправо, однако азот в металле менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на по­рядок меньше, чем водорода [D = (1*4) • 10~⁴ см/с], в

результате интенсивность очищения расплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем от 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 "вакуумны ми камерами", так как в пузырьке, состоящем только из СО,

парциальные давления водорода и азота равны нулю (р ■ О

н₂

и р =0). Таким образом, при обработке металла вакуумом

N₂

в нем 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.

Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень ин­тенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти по­тери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка металла инертными газами в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами 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 продувке инертным газом происходит иненсивное перемешивание металла, усреднение его состава; в тех слу­чаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация металла. Когда хотят получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, осо­бо качественную нержавеющую сталь), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции 0₂ + 2[С] = 2СО_газ сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и пар­циальное давление р_со уменьшится. Масса пузырьков инерт­ного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой по­верхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагре­вается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто ис­пользуют для регулирования температуры металла в ковше.

Технически операция продувки больших масс металла инерт­ными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка ваку­умом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через по­ристые пробки в днище ковша или через полый стопор, заме­няет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку ме­талла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное переме­шивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке металла инертными газами достигают: 1)энергичного перемешивания расплава, облег­чения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей; 2) усреднения состава металла; 3) уменьшения содержания газов в металле; 4) облегчения условий проте­кания реакции окисления углерода; 5) снижения температуры металла.

Перемешивание металла со специально приготовленным ("синтетическим") шлаком позволяет интенсифицировать пе­реход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, ско­рость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности. Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно приготовляемого ("синтетического") шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят А1₂О_э или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставит­ся задача очистки металла от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной по­верхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть и окис­литель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной ру­ды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдува­ют в струе аргона смесь извести и плавикового шпата. Пла­виковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в ме­талл (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, маг­ний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Ускоренная или направленная кристаллизация металла имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Скорость кристаллизации слитка про­порциональна разности температур у фронта кристаллизации и на поверхности слитка. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных ус­ловиях развиваются ликвационные и другие неприятные явле­ния. Искусственное охлаждение слитков (применяемое, на­пример, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Регулируя время пребывания металла в жидком состоянии в изложнице или кристаллизаторе и интенсивность охлаждения металла, можно обеспечить получение такого слитка, у ко­торого вообще не будет центральной менее плотной и более обогащенной ликватами зоны беспорядочно ориентированных кристаллов.

Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) поль­зуются водой.

Эти общие положения на практике реализуют в результате использования того или иного способа и агрегата из боль­шого многообразия их.

§ 3. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ВАКУУМИРОВАНИЯ

Схема обработки жидкой стали вакуумом была предложена еще Г.Бессемером. Практическое использование метода внепечно-го рафинирования для повышения качества металла относится к началу 50-х годов. 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 Енакиев-ском металлургическом заводе по инициативе ученых ИМет АН СССР А.Самарина и Л.Новика в 1952-1954 гг. Ковш с ме­таллом опускали в камеру, которую затем плотно закрывали крышкой и из закрытой таким образом камеры откачивали воздух.

В настоящее время в промышленно развитых странах ус­пешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Схемы наиболее распространенных конструкций представлены на рис. 183. Самым простым спо­собом является способ вакуумирования в ковше (рис. 183).

Способы обработка жидкой | . . -- 1

Недостатком вакуумирования в ковше является 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 в том случае, когда предусматривается продувка металла в ковше интертным газом или электромаг­нитное перемешивание. При продувке металла инертным газом к обычным потерям тепла при выпуске и выдержке в ковше добавляются потери тепла на нагрев газа, продуваемого че­рез металл. При электромагнитном перемешивании этот недостаток ликвидируется, однако электромагнитное переме­шивание требует более сложного и дорогостоящего оборудо­вания. В настоящее время наиболее распространены следую­щие способы обработки металла вакуумом в ковше:

1. Ковш с металлом помешают в вакуумную камеру, орга­низуют перемешивание металла инертным газом, раскислители вводят в ковш из бункера, также находящегося в вакуумной камере. Этот метод часто называют ковшевым вакууми-рованием (рис. 184).

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 ферростатического давления засасывается примерно на 1,48 м (рис. 185) в вакуумную

Рис. 184. Установка вакуу­мирования стали в ковше: 1 — вакуум-крышка; 2 — теп­лозащитный экран; 3 — ста-леразливочный ковш; 4 — вакуум-камера

тие и раздробление на капли, а также увеличение поверхно­сти контакта металл—газовая фаза (вакуум). 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 метод, названный методом РМ (Pulsation Mixing — пульсирующее перемешивание), схема которого показана на рис. 188. 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. Достоинство установки — воз­можность высокоэффективной работы без глубокого вакуума.

§4. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ВАКУУМОМ И КИСЛОРОДОМ

Для интесификации 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] + 1/20_2(г) = = СО_г К = р_со/[С)р^, откуда [С] = р^/К ■ р^\ т.е.

равновесие реакции при вакуумировании сдвигается вправо; продувка кислородом вызывает дальнейший сдвиг равновесия и обеспечивает еще большее снижение [С]. Этот принцип по­ложен в основу так называемого вакуумкислородного обез­углероживания (ВКО).

За рубежом распространено обозначение процесса VOD (Vacuum—Oxygen—Decarburisation) — вакуум, кислород, обез­углероживание (рис. 189). Применительно к установкам цир­куляционного вакуумирования процесс обезуглероживания ус­коряется при введении кислорода для продувки или обдувки металла непосредственно в камере циркуляции. Процесс (рис. 190) получил название RH—OB (RH + Oxygen — Blow).

По-иному проблема сочетания конвертера с вакуумной установкой решена при вакуумном кислородном обезуглерожи­вании в конвертере; процесс назван VODK. Заново отфутеро-ванный конвертер имеет объем 28 м³. Конвертер (рис. 191) оборудован вакуум-плотной крышкой, через вакуумное уплот-

нение которой вводится кислородная фурма. В днище конвер­тера проходит асимметрично сопло для подачи аргона с целью дополнительного перемешивания. Вакуум-провод от конвертера вмонтирован непосредственно в камеру внепечно-го вакуумирования. После заливки полупродукта наводят

Рис. 189. Установка вакуум-кислородного обезуглероживания (VOD-процесс): / — шлюзовое устройство для ввода в вакуум-камеру легирующих добавок; 2 — смотровое стекло с ротором; 3 — кислородная фурма в положении обработки; 4 ~ водоохлаждаемый экран для зашиты от выплесков; 5 — стационарный тепло­защитный экран; 6 — крышка ковша; 7 — сталеразливочный ковш; 8 — вакуум-камера; 9 — пористый блок для продувки инертными газами; 10 — шиберный затвор ковша

Рис. 190. Установка RH-OB:

/ — промышленная телевизионная камера; 2 — подключение вакуума; 3 — камера RH-OB; 4 — подогрев камеры; 5 — кислородные и аргонные сопла; 6 — патрубок для подвода транспортирующего газа; 7 — шлюзовое устройство для ввода в накуум-камеру легирующих добавок; 8— лотковый дозатор в вакуумплотном ко­жухе; 9 — погружные трубки; 10 — сталеразливочный ковш

Рис. 191. Вакуумно-кислородный

конвертер (VODC-процесс): 1 — шлюзовое устройство для ввода в вакуум-камеру легирующих доба­вок; 2 — подключение вакуума; 3 — вакуумная фурма для замера тем­пературы и отбора проб; 4 - кис­лородная фурма в положении обра­ботки; 5 — конвертер; 6 — поддер­живающее и направляющее устройст­во кислородной фурмы; 7 — тележка кислородной фурмы; 8 — ввод инертных газов

шлак (присадками извести и плавикового шпата). Во все периоды плавки через подо­вую фурму подают аргон. Окисление углерода в этом случае протекает так же, как при вакуум-кислородной продувке. Подачу кислорода прекращают при концентрации углерода ~ 0,2 %, затем по­нижают давление до 665 Па. Кислород, необходимый для окисления углерода, посту­пает в первую очередь из шлака. Температура металла понижается на этот период при­мерно на 60 °С. В конце плавки присадкой ферросилиция осуществляется восстановление из шлака хрома и марганца, присаживается известь, плавиковый шпат и корректирующие присадки. Перед окончанием плавки шлак скачивают и металл выпускают в ковш.

§5. МЕТОД ПРОДУВКИ ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ

Для повышения качества металла получил промышленное рас­пространение по мере освоения технологии получения деше­вого аргона в больших количествах (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воз­духе ~ 1 % Аг). На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося арго­на достаточен для обработки больших количеств стали. В

тех странах, где имеются запасы гелия, для продувки ис­пользуют также гелий.

Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто исполь­зуют азот, т.к. при 1550—1600 °С процесс растворения азо­та в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м³/т стали. В зависимости от массы жидкой стали в ковше снижение темпе­ратуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5—4,5 °С/мин (без продувки металл в ковше охлаждается со скоростью 0,5—1,0 °С/мин). Тепло при продувке дополни­тельно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Ббльшая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом одновременно снижается степень окисления обнажающегося при продувке металла. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 192). Продувочные_# уст­ройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

Большое распространение получил способ продувки через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные встав­ки или пробки (рис. 193); в тех случаях, когда продувку проводят одновременно через несколько пробок (вставок), эффективность воздействия инертного газа на металл су­щественно увеличивается. Продувка с расходом газа до 0,5 м³/т стали достаточна для усреднения химического сос­тава и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0 м³/т влияет на удаление из металла неметаллических включений; для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2^3 м³/т металла.

Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком спо­собствует повышению эффективности использования шлаковых

Рис. 193. Конструкция пористой пробки (вставки) для продувки ме­талла аргоном:

1 — вставка с каналами для прохо­да газов; 2 — огнеупорный корпус; 3 — гнездовой кирпич

смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта ме­талла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществ­ляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет металл от окисления, а сниже­ние потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе осно­вана разработанная на одном из заводов Японии технология так называемого САВ-процесса (от слов Capped—Argon—Bubb-

Ar-

Рис. 194. Схема САВ-процесса:

/ — ковш с металлом; 2 — крышка ковша; 3 — устройство для загрузки ферро­сплавов; 4 — отверстие для отбора проб; 5 — синтетический шлак; 6 — шибер­ный затвор; 7 — пористая пробка для введения аргона

Рис. 195. Схема SAB-процесса:

1 — подача флюсов и добавок; 2 — синтетический шлак; 3 — окислительный ко­нечный шлак

ling) (рис. 194); данная технология предусматривает нали­чие на поверхности металла в ковше синтетического шлака заданного состава.

В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает какое-то количество конечного окисленного шлака (например, при выпуске плавки из конвертера), используют метод, названный металлургами Японии SAB-процессом (рис. 195).

Введение в металл добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается в несколько усложненном способе за­щиты зоны продувки, названном CAS-процессом.

По этому способу в ковш сверху вводят огнеупорный кол­пак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим кону­сом, таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак; затем снизу под колпак подают аргон.

Поиск по сайту: