Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Первые публикации результатов промышленного применения

внепечного вакуумирования жидкого металла появились в

1955-56 гг. . Эти публикации содержали резулыаты иссле

дований процесса вакуумирования металла в ковше, постав

ленном в вакуумную камеру. Размеры вакуумной камеры долж

ны быть достаточно большими, что определяется возможнос

тью беспрепятственной установки и извлечения ковша. Это

требует достаточно большого свободного пространства между

ковшом и внутренними стенками камеры. Необходимо учиты

вать также, что вакуумные ковши должны быть выше, чем

обычные, чюбы сверху имелось свободное пространство, в

Котором может размещаться вспененный при кипении металл,

не переливаясь через край ковша (высота "свободного бор-

Та" составляет обычно не менее 90 см). При увеличении

масс.ы вакуумируемой стали >50 т, т.е. при увеличении глу-

°ины расплава в ковше, возникает опасность, что нижние

сл°и жидкого металла не будут подвергнуты достаточной детак  как   перемешивание,   создаваемое   в   результате образования СО, не будет достаточным, чтобы все части расплава доставить непосредственно на поверхность ваннц где растворенные газы могут перейти в газовую фазу. Эта проблема была решена путем организации перемешивания металла продувкой его снизу аргоном. Другим (более дорогостоящим) возможным решением этой проблемы является орга. низация электромагнитного перемешивания расплава. Имеюхсц установки, включающие как статор электромагнитного пере-мешивания, так и устройство для подачи аргона для продувки. Пузыри аргона помимо перемешивающего оказывают на расплав дополнительное рафинирующее воздействие.

Отрицательным моментом в организации принудительного перемешивания металла (особенно продувкой аргоном) являются потери тепла. Снижение температуры металла при этом зависит oi многих факторов (масса плавки, интенсивность перемешивания, степень подогрева ковша перед разливкой и др.). Искусственное перемешивание металла снижает стойкость стопоров. Эта проблема была решена лишь при замене стопоров на шиберные затворы. Проблема предотвращения выбросов капель металла или переливания металла через край ковша может быть в известной мере решена при выполнении футеровки верхней части ковша вогнутой или криволинейной формы (2.10), при такой форме футеровки набегающая волна металла будет отражаться и его движение будет направлено внутрь ковша [2]. На практике в большинстве случаев пока испол>-зуют ковши традиционной формы (но не полностью заполненные металлом). На 2.11 показана современная установка для вакуумирования в 130-т ковше плавок массой 100 т, построенная на ЧерМК [2]. При расчете мощности вакуумных насосов в случае вакуумирования ковшей, помещенных в вакуум-камеры, необходимо учитывать значительный общий объем системы для откачки. Меньший объем системы необходимо откачивать при циркуляционном и порционном вакуумировании. Современная техника позволяет осуществлять контроль за операцией вакуумирования. Наиболее разработаны методы контроля в случае, когда вакууми-рование сопровождается обезуглероживанием. На 2.12 показаны резулыаты, полученные на Череповецком металлургическом комбинате при обработке 100-т плавок электротех нической стали. По ходу внепечной обработки, включающей вакуумирование (ржт= 700*1100 Па) и перемешивание арп ном (расход аргона 25-40 м3/ч), содержание углерода сни-| жается до 0,001-0,005 %. Выделяющийся монооксид углерод; СО определяет окислительный характер газовой фазы, который контролируется при помощи концентрационного по кислороду гальванического элемента и фиксируется по изменению э.д.с. [7].

Условия массообмена существенно изменяются при организации вакуумирования струи металла. На 2.13 представлена схема организации вакуумной обработки при переливе  из ковша  в ковш и  в  изложницу,  на   2.14—  способ дегазации во время выпуска плавки. Дегазация в струе обеспечивает резкое увеличение отношения F/V. После вы пуска сталь течет во второй ковш или в изложницу; расположенную в вакуумной камере. При попадании металла в разреженное пространство происходит взрывное расширение газов в струе. Капли, которые при этом образуются, имеют в диаметре от 1 мкм до 1 мм. Форма и размер капель в значительной степени зависят от степени разрежения.

Дегазация тем более полная, чем меньше радиус г;' маленькая капля обеспечивает более быструю диффузию к ее поверхности любого растворенного газа. Приведенное уравнение не позволяет принять количественное решение, так как коэффициент массопереноса и средний радиус неизвестны. Сравнением требующейся поверхностной энергии для образования капли и возникающей в результате энергии при расширении освобожденных газов в работе [5] показан теоретический средний диаметр капли (2.15).

На 2.15 представлено расчетное изменение среднего диаметра  капли в  зависимости   от  первоначального  содержания водорода в случае дегазации при различном разрежении. Можно заметить, что с уменьшением первоначального содержания водорода происходит соответствующее увеличение диаметра средней капли.

Содержащиеся в расплаве кислород и углерод взаимодействуют с образованием монооксида углерода. Расчетное отношение между средним диаметром капли во время дегазации в струе и первоначальным содержанием кислорода при различных уровнях вакуума показано на 2.16. Влияние вакуума в данном случае минимально. Дегазация расплава, раздробленного на мелкие капли, прямо пропорционально времени х и обратно пропорциональна квадрату радиуса г2. При сравнении диаметров капель на 2.15 и 2.16 можно сделать вывод, что оптимальное снижение уровня водорода может быть достигнуто при обработке нераскисленного ме-талла, чтобы использовать сопутствующее образование моно-°ксида углерода. Разливка слитков в вакууме и дегазация в Ковше происходят в камере, которая закрыта герметичной кРЫшкой. Каждая крышка оборудована соответствующими Устройствами для размещения сталеразливочного ковша на к°льце с желобом, который герметизируется при помощи пРокладки (например, из неопрена). Герметичность между амерой и крышкой достигается при помощи уплотнительного >°льца. Вакуумные камеры футеруют огнеупорным кирпичом в Основном для защиты от радиации и возможного прорыва металла. Обычно высота камеры такова, чю в случае прорыва вылившаяся иаль собирается на дне камеры, не разрушая ковш, это позволяет без труда удалить ковш, после чего и застывшую сталь при помощи крана. Современная установка дегазации в ковше обслуживается автоматической и элект-ронноуправляемой системой добавок для сплавов и шлакооб-разователей, которые могут добавляться на воздухе или в вакууме в очень точных весовых количествах.

В случае использования ковшей, футерованных основными огнеупорами, одновременно с дегазацией проводится десуль-фурация наводимым шлаком нужного состава. Восстановительная атмосфера и перемешивание в ванне с аргоном в вакууме создают для этого идеальные условия. На 2.17 показано изменение содержания серы в подшипниковой С1али от момента выпуска из 100-т печи до разливки в случае совмещения операций дегазации и десульфурации [5]. Обязательным условием в этом случае является подогрев ковша, чтобы компенсировать большие потери тепла при работе с этой футеровкой. Продолжительность дегазации обычно составляет не менее 20 мин; перемешивание аргоном вызывает дополнительное  снижение  температуры металла. 

Помимо таких распространенных способов подогрева, как электродуговой или индукционный, на некоторых предприятиях для компенсации снижения температуры металла в процессе внепечного рафинирования используют присадки алюминия с последующим его окислением: подача алюминия в количестве 1кг/т стали повышает температуру расплава на ~30°С. Для последующего удаления неметаллических включений  металл  продувают инертным газом.