Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Идея порционного и циркуляционного вакуумирования заключается в организации в специальной (сравнительно небольшой) камере обработки вакуумом час1и металла 1аким образом, чтобы через определенный промежуток времени добиться Прохождения через эту камеру практически всей массы металла   и   необходимого   перемешивания   всей   массы   металла.

Процесс порционного вакуумирования (или процесс DH) был впервые осушествлен в 1956 г., фирмой "Dortmund-Horder Hiittenunion". Сообщение об успешном опробовании фирмами "Ruhrstahl AG" и "Heraeus" (ФРГ) способа циркуляционного вакуумирования (или процесс RH) опубликовано в 1959 г. При порционном вакуумировании металл под воздействием ферростатического давления засасывается (примерно на 1,48 м, 2.19) в вакуумную камеру, которая через определенные промежутки времени поднимается (но так, чтобы конец патрубка все время оставался опушенным в металл в ковше), металл из камеры сливается по патрубку в ковш, затем камера опускается и в нее вакуум засасывает очередную порцию металла (отсюда название способа — "порционное вакуумирование"). В некоторых случаях поднимается и опускается не вакуумная камера, а ковш с металлом, а камера остается неподвижной. При циркуляционном вакуумировании камера имеет два патрубка, причем оба погружаются в металл, порция металла засасывается в камеру (2.20), По одному из патрубков начинают подавать инертный газ, в результате чего металл по нему направляется вверх, в вакуум-камеру,   по   другому —   стекает   в,   ковш,   циркулируя таким   образом   через   установку   (отсюда   название   метода -Циркуляционное вакуумирование").

Условия дегазации при обработке вакуумом различными методами неодинаковы, соответственно различен уровень содержания газов, достигаемый в результате вакуумирования '2.21). Наилучшие результаты достигаются при вакуу-Мировании металла, предварительно не раскисленного сильными раскисли1елями. Наблюдаемое при этом бурное вскипание металла заставляет уделять особое внимание правильному расчету объемов камер и ковша 1аким образом, чтобы предотвратить возможный выплекс из него металла. Для из-г"товления 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 вакуумировании заметно снижаются при увеличении вместимости установок (до 200—300 т металла в ковше) и интенсивности обработки (например, при обработке металла в 330-т ковше на установке порционного вакуумирования при ПЯ1И операциях за 1 мин по 30 т металла, закачиваемого в вакуумную камеру, интенсивность обработки возрастает до 150 т/мин).

Конструкция вакууматора с асимметричным раслоложением засасывающего патрубка (см. 2.17) ранее была вызвана наличием в ковше стопорного устройства. Ситуация изменилась после повсеместной замены стопоров на шиберные затворы, однако некоторое время конструкторы продолжали оставлять асимметричное расположение патрубка, так как считалось,  что  это  обеспечивает  лучшую  защиту  от  воздействия брызг металла (брызгообразо-вание происходит особенно сильно над засасывающим патрубком). Дальнейшая эксплуатация вакууматоров показала: что расположение отверстия засасывающего патрубка по центру камеры не приводит к каким-либо проблемам, связанным с брызгами металла. Поскольку площадь металла в ковше, используемая для размещения всасывающего патрубка и вакууматора,    была      стеснена штангой стопора, то глубина погружения вакууматора в металл ограничивалась, как правило, верхним краем ковша. С устранением стопоров эти требования отпали (особенно на крупных ковшах с большим поперечным сечением). Пример конструкции порционного вакууматора с центральным расположением засасывающего патрубка показан на 2.22. Отсутствие опасений повреждения стопорного устройства позволяет увеличивать ход камеры и засасывать за один цикл большую порцию металла.

Ход процесса дегазации при порционном вакуумировании можно иллюстрировать графиком изменения колебаний давления в вакуумной камере (2.23). Из 2.23 видно, что примерно через 10 мин (около 30 циклов подъема) затекание новой порции металла практически не приводит к повышению давления в камере. Можно считать, что к этому моменту металл достаточно глубоко продегазирован. При массе засасываемой порции металла Юти числе циклов 30 можно принять, что в вакууматоре побывало 10 30 = 300 т металла пРи скорости прохождения металла через вакууматор (СКОРОСТИ циркуляции) 300:10 = 30 т/мин; кратность циркуляции 8 100-т ковше составила 300:100 = 3.

Современные вакуума-1оРЫ рассчитаны на однократное засасывание в вакуумную Камеру порции металла свыше 30 т. Если в данном случае UOO-т   ковш)   засасываемая   порция   буде1    составлять    20 т, то    за    30    циклов    (10 мин)   в камере  побывает  600 т  металла при       скоросги       циркуляции i/мин и  кратности,     равной 6.      Обычно      кратность     циркуляции составляет 3-5, число подъемов (.качаний) 30-50. Раскислители и легирующие присаживают в металл в камере из бункера без разгерметизации камеры. Последующая серия качаний обеспечивает равномерное распределение элементов в объеме металла. Степень дегазации при порционном вакуумировании зависит как от числа подъемов, так и от давления в вакуумной камере (2.24). Обработка нераскисленного металла обеспечивает снижение окисленнос1И металла (2.25). В случае производства низкоуглеродистого металла вакуумная обработка позволяет получать сталь с очень низким содержанием углерода. Эффективность порционного вакуумирования заметно возрастает при подаче в засасывающий патрубок аргона. В качестве примера на 2.26 представлены результаты, полученные в конвертерном цехе завода "Rheinhausen, Krupp Stahl AG" [8].

В   СССР   успешно   эксплуатипуется  ряд   установок   порционного вакуумирования (на ММК, ОХМК, ЧМК и др.), институтом ВНИИМе1маш разработаны методы расчета и спроектирован ва-Кууматор (с центральным расположением всасывающего пат-РУбка) для ковшей вместимостью 350 т. Предусмотрено засасывание порции металла до 35 т и 50 качаний (при продолжительности обработки до 20 мин), т.е. пятикратная циркуляция [9]. Обработка вакуумом высокоуглеродистой стали °°еспечивает получение хороших показателей по загрязнен-н°сти металла неметаллическими включениями. На 2.27 ^Редставлены результаты контроля, проведенного на Московском  трубном  заводе,  металла,   выплавленного   в  двухванных

ММК. Выплавляли стали марок 15 и 20сп для карданных продолжительность вакуумной обработки составляла Змин (35-50 циклов). На ОХМК использование порцион-°    вакуумирования    позволило    разработать    эффективную

хнологию производства сталей марок 18ХГТ-30ХГТ, 20Х-40Х И др., исключив из нее противофлокенную обработку. Исследования, проведенные в ЭСПЦ ОХМК применительно к марке стали 20ЮЧ показали, что для исключения противофлокенной обработки сорювого проката вакуумная обработка должна включать  80  циклов для раскисленной и  50  циклов  для не-

раскисленной (до вакуумирования) стали* . В этом же цехе установку порционного вакуумирования использовали для науглероживания металла (2.28), в результате была освоена технология использования внепечной доводки до заданных значений по углероду электродным боем фракции 3—50 мм, обеспечивающая степень усвоения карбюризатора > 80 %; ЭЮ позволило перенести операции раскисления, легирования и коррекции состава металла полностью в стале-разливочный ковш. Использование порционного вакуумаюра в конвертерном цехе ЧЛМК позволило организовать технологию выплавки низкоуглеродистой (* 0,015 % С) стали с регламентированным содержанием алюминия* .

Для последних лет характерно интенсивное распространение установок циркуляционного вакуумирования. На состоявшейся в 1987 г. V конференции владельцев лицензий на RH-процесс было сообщено, что начиная с 1964 г. число действующих RH-установок непрерывно увеличивается и к 1987 г. превысило 90 [10]. Наиболее крупные установки последних лет — RH-установка на Баошаньском заводе (КНР) производительностью 2,5 млн.т/год, на заводе "Rohang" (Южная Корея), на заводе "Ока" (Япония). В 1987 г. на заводе "Beeckerwerth", "Tissen Stahl AG" введена новая RH-установка для обработки конвертерных плавок массой 250 т. Подачу аргона осуществляют через 10 сопл, скоромь циркуляции достигает 85 т/мин при расходе аргона 1000 л/мин. Если высота первой RH-установки (1959 г.) на заводе фирмы "Ruhr Stahl AG" в Ханингене (ныне завод фирмы "Thissen Stahl AG") немногим превышала 5 м, то высота RH-установки в "Beeckerwerth" составила 10,8 м, дна-метр камеры 2,03 м, диаметр патрубков по 500 мм [11].

В конце 70-х - начале 80-х гг. RH-процесс получил значительное распространение в Японии. В 1987 г. число RH-установок в Японии вместимостью oi 42 до 300 т возросло до 41 [12]. Циркуляционное вакуумирование обеспечивает интенсивную дегазацию металла и обезуглероживание расплава (при необходимости получения сталей с особо низким содержанием углерода). Интенсивность циркуляции металла в современных установках достигает 100 т/мин [13]. На 2,29 следана попытка установить взаимосвязь величин Ковша, диаметра подающего патрубка, расхода транспортирующего газа и скорости циркуляции [14]. Способы порционного и циркуляционного вакуумирования обеспечивают примерно одинаковую степень удаления из стали водорода. Вместе с тем, при циркуляционном способе имеется дополни-1ельная возможность воздействия на процессы удаления примесей путем изменения интенсивности подачи и расхода тРанспортирующего инертного газа (в один из патрубков), 4t° имеет особое значение при производстве особонизкоуг-"еродястого металла. В работах [15, 16] представлены ре-3Ульта1ы   определения   степени   влияния   этого   фактора   при обработке низкоуглеродистой конвертерной стали в 275-j ковшах (диаметры всасывающего и сливного патрубков 450 мм; рабочее давление 39 Па; скорость движения металла через вакуум-камеру 90 т/мин). Исследования показали, ч1о интенсивность циркуляции металла растет по мере повышения расхода газа до 1500 л/мин и при дальнейшем повышении расхода газа практически не изменяется. Обезуглероживание расплава происходит на свободной поверхности металла в камере, на поверхности капель фонтанирующего металла в камере и на поверхности пузырей газа во всасывающей тру. бе. 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 2.30 показано, как изменяется содержание углерода к 13-й минуте обработки по мере повышения расхода транспортирующего газа (содержание углерода до начала обработки 0,03-0,04 %). При этом различие в интенсивности обезуглероживания наблюдается в течение всего периода обработки. При расходе транспортирующего газа 5000 л/мин через 13 мин обработки содержание углерода снижалось до 0,001 % (см. 2.30, б). На 2.31 представлены обобщенные  результаты  исследований  процесса  удаления  азота при циркуляционном вакуумировании полностью раскисленной стали: продолжительность обработки 10 (1) и 30 мин (2). Так же, как и в других процессах внепечной обработки, в ходе циркуляционного вакуумирования наблюдается снижение температуры металла, что становится менее ощутимым при обработке плавок массой до 300 т (2.32).

К настоящему времени отдельные предприятия достигли

Удовлетворительных показателей производства. Достаточно

сказать, чо на заводе "Fukuyama Works, Nippon Kokan K.K."

(Япония) к 1986 г. достигнута рекордная стойкость огнеу

порной футеровки RH-вакууматора, используемого в конвер

терном цехе для обработки 300-т ковшей - 1506 плавок

117]. Для футеровки применяют периклазохромитовые огнеу

поры с прямой связью, составом, %: MgO 60—63; СггО3 19;

'ЦОз 5—10; SiO2 2. Определенным шагом в развитии метода

Циркуляционного вакуумирования явилось использование ва-

'ЧУмной камеры для подачи в металл кислорода. По данным-

'"I эти работы были начаты в 1972 г. на RH-установке за-

в°Да "Muroran, Nippon Steel Corp." (Япония). На 2.33

"Казаны варианты процесса. Они получили сокращенное наи

менование RH+ OB (RH+ Oxygen Blowing) (см. 2.33,

и RHO (RH+ Oxygen) (см. 2.33, б). Эти процессы

представили новые возможности для организации технологии. Так, на ряде заводов для компенсации снижения температуры в процессе обработки в металл вводят алюминий, окисление которого обеспечивает быстрый нагрев металла [17].

На плавках, проведенных на установке циркуляционного вакуумирования ИжМЗ, кусковая известь вводилась на поверхность металла в циркуляционной камере, при этом установлено, что при такой обработке стали известью с расходом ее 2-4 кг/т наблюдается снижение содержания серы в стали на 0,005—0,010 %. Достигаемое в результате десуль-фурации уменьшение содержания сульфидов в стали позволяет повысить ее вязкостные свойства. Существует два способа подачи шлакообразующих в RH-агрегат: 1) на поверхности металла в вакуумной камере; 2) вдувание в порошкообразном виде в глубь металла в ковше. В последнем случае процесс называют RH-Injection (2.34). По данным [18, 19l> сочетание процессов RH—ОВ и RH—Injection позволяет получать очень чистую сталь. Разработанная в 1985 г. на заводе "Oita, Nippon Steel Corp." технология при производстве стали с особо низким содержанием серы предусматривает после начала процесса вакуумирования металла раскисление алюминием и продувку в течение 25 мин флюсом 60 % СаО + + 40 %   CaFj   с   расходом   4 кг/т.   При   этом   достигается   уяление 80% серы, снижаясь до 0,001-0,002%. В разработанном процессе эффективность удаления серы мало зависит от наличия покровного шлака в ковше. Учитывая это, а также основываясь на результатах микроскопического анализа частиц флюса, находящихся в металле, пришли к выводу, что Удаление серы происходит в основном в результате прямой реакции взаимодействия с флюсом. После обработки расплава в нем отсутствовали включения А12О3, которые по мнению авторов работы [18] в результате взаимодействия флюса с кластерами Al2O3mCaO + п А12О3 —*• mCaO-/iAl2O3 превращались в легкоплавкие, легко коагулирующие включения и быстро удалялись. Для обычных высокоуглеродистых сталей, Раскисленных алюминием, продолжительность обезуглероживания уменьшилась на 8 мин по сравнению с обычным RH-вакуумированием (2.35), а эффективность удаления В(>дорода возросла на 10 %, через 25 мин обработки достигнуто (1-2)-Ю- % [Н].

На    заводе    фирмы    "Синниппон    сэйтэцу"    в    г. Нагоя    с

'9 г.  работают  две  RH-установки,  на  которых  для  улучше-

Ия процесса   десульфурации  используется  технология   с  вдуванием рафинирующей смеси (CaO:CaF2 = 1:1) в нижнюю часть вакуумной камеры. При разработке способа вдувания порошка исходили из следующего: 1) снижение вакуума в камере должно быть минимальным, для чего применили высокоскоростное вдувание порошкообразной струи с высокой долей твердой фазы; 2) стойкость фурмы должна равняться стойкости камеры; 3) для уменьшения длительности процесса одновременно проводят десульфурацию и удаление водорода; 4) при вдувании флюса при пониженном давлении возможно удаление азота. Режимы предварительно отработали на водяной модели. При помощи разработанного процесса устойчиво получают в стали после обработки s 0,001 % [S] при расходе флюса 5 кг/т [20].

Таким   образом,   вакуумирование   "в   чистом   виде"   постепенно уступает место вакуумированию в комбинации с другими   методами   внепечной   обработки   (продувка   аргоном,   про-/  дувка кислородом, обработка шлаком и др.).