Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

RH-OB и RHO-процессы являются одним из вариантов многочисленной группы процессов, технологий, объединенных общим названием "вакуум-кислородное рафинирование" или "вакуум-кислородное обезуглероживание" (VOD-процесс от слов Vacuum-Oxygen-Decarburisation). Эти технологии охватывают большую группу марок стали, для которых требуется иметь минимальное содержание углерода.

Получение очень низких концентраций углерода особенно важно для ряда марок высокохромистой стали (например, для ряда марок коррозионностойкой стали), а также для некот0рых специальных сталей и сплавов. Операция обезуглероживания   высокохромистых   сталей   в  обычных  условиях   затрудняется тем, что одновременно с углеродом окисляется хром, образуются оксиды хрома. Как окислить до низких пределов углерод, не окисляя хром? Для получения низкоуглеродистой высокохромистой стали требуется значительный перегрев металла (2.36). При обработке вакуумом равновесие реакции сдвигается вправо, поскольку уменьшается величина рсо и хром не только не окисляется, но даже восстанавливается из шлака. Таким образом, в вакууме решается задача получения низких концентраций углерода без заметных потерь хрома, при этом одновременно с обезуглероживанием протекают процессы удаления из ванны газов и неметаллических включений. Таким образом, при наличии углерода в процессе вакуумирования обеспечиваются благоприятные условия для восстановления хрома. Вместе с тем, при обработке высокохромистого расплава приходится учитывать, что при относительно низких температурах и атмосферном давлении именно хром, а не углерод, определяет окисленность металла, и Для окисления углерода может оказаться недостаточно кислорода, который находится в высокохромистом металле.

На     2.37   представлена   диаграмма,   показывающая   соотношение    между    содержанием   углерода   и   кислорода   для плавки   металла,   содержащего   18 % Сг   и   10%Ni   с   учетом влияния давления СО и температуры; дополнительно показаны Линии, характеризующие  равновесные условия окисления хрома при различных температурах. Одновременно  на  диаграмме Нанесены равновесные кривые реакции обезуглероживания для "«легированной   стали   (для   1600   и   1800°С)   и   для   давлений иД МПа и ниже.  Штрих-пунктирная  линия,  пересекающая диа-гРамму,    характеризует   стехиометрическое    соотношение    масс Углерода   и   кислорода,   взаимодействующих   по   реакции   С + +   О=   СО.   Из     2.37   видно,   что   для   получения   легированной   стали   с   0,1 %   С   температура   ванны   должна   быть °10 °С.  

Таким образом, для получения более низких содержаний углерода при вакуумировании возможны два способа: повышение температуры (при этом содержание углерода необходимо понизить хотя бы до 0,1 %, чтобы иметь достаточно кислорода) или снабжение металла кислородом. Снабжение ванны кислородом (руда или газообразный кислород) более предпочтительно. Поскольку реакция обезуглероживания происходит преимущественно на границе раздела фаз, желательно иметь хорошее перемешивание ванны. Чаше всего для этой цели используется способ продувки металла инертным газом через пористую пробку в днище ковша. Однако и в этом случае операция длится довольно долго, особенно если перерабатывается полупродукт со сравнительно высоким содержанием углерода (2.38). На 2.39 показан один из вариантов конструкции установки вакуум-кислородного обезуглероживания. Вакуумная установка расположена в разливочном пролете. Она состоит из двух камер, оснащенных фурмами для  обдувки расплава кислородом.  Установка  оснащена  транспортной  системой  подачи   легирующих  материалов от бункеров в ковш через вакуумный затвор.

Один из современных вариантов способа RHO (2.40) включает следующие стадии: 1) внедоменную десульфурацию чугуна в ковшах методом перемешивания подаваемого на поверхность чугуна десульфуратора специальной мешалкой; 2) продувку чугуна в кислородном конвертере (дефосфорация и обезуглероживание); 3) повалку конвертера, выпуск металла, отделение его при выпуске от шлака и повторную заливку металла в конвертер (состав металла при этом: »0,10 % С; 0,010 % Р и 0,010 % S; температура металла 1680—1700 °С);    4) введение    высокоуглеродистого    феррохрома растворение его в металле при повторной продувке кислородом (состав расплава при этом становится следующим, %: С 0,50-0,80; Р 0,020-0,035; S < 0,009; СгЭ»1б,5; температура расплава 1740—1770 °С); 5) выпуск металла в ковш и циркуляционное вакуумирование с одновременной подачей в циркуляционную камеру кислорода для дожигания СО до СО3.

После проведения этой операции состав металла становится следующим, %: 0,04-0,06 С; Р 0,020-0,035; S> 0,009; Сг 16,30-16,50; температура металла 1590 °С.

Достоинствами такого процесса являются: 1) высокая производительность; 2) высокая степень усвоения и низкие потери хрома; 3) легко контролируемый химический состав металла и низкая концентрация вредных примесей; 4) возможность получать в готовой стали очень низкие концентрации углерода и азота [3].

По-иному проблема сочетания конвертера с вакуумной установкой решена при вакуумно-кислородном обезуглероживании в конвертере. Процесс назван VODK (от слов Vakuum Oxygen Decarburisation + Konverter (нем.) или VODC (VOD + Converter) (англ.). Конвертер VODC (2.41) оборудован вакуум-плотной крышкой, через вакуумное уплотнение которой вводится кислородная фурма. В днище конвертера проходит асимметрично сопло для подачи аргона с целью дополнительного перемешивания. Вакуум-провод от конвертера врезан непосредственно в камеру внепечного вакуумирова-ния. После заливки полупродукта наводится шлак (присадками  извести  и   плавикового   шпата).   Во   все  периоды   плавки через подовую фурму подается аргон. Окисление углерода в этом случае протекает как при вакуум-кислородной продув. ке. Подачу кислорода прекращают при концентрации углерода ~ 0,2 %, загем понижают давление до ~ 665 Па. Необходимый для окисления углерода кислород поступает в первую оче-редь 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 скачивается и металл выпускается в ковш.

VODC-процесс предназначен для выплавки низкоуглеродистых высококачественных коррозионностойких, высоколегированных хромсодержащих подшипниковых сталей, жаропрочных сплавов, содержащих никель, кобальт, хром и т.п. Процесс может получить распространение в сталелитейных цехах. Так, процесс (под названием "Lokomo Vaculok") освоен на заводе "Lokomo Steel Works" (Финляндия) [22]. Другой вакуумный конвертер, названный авторами VaRP-Konverter (Vakuum - Argon- Raffinations - Prozess"— нем.), работает в сталелитейном цехе завода "Friedrich — Wilhelms Hutte" (ФРГ). Завод производит стальное литье из высокоуглеродистых, легированных и коррозиокностойких сталей. Сталеплавильное отделение, имеющее одну 10-т, одну б-т дуговые печи и три 2-т индукционные печи, при пятидневной рабочей неделе и двухсменной работе выплавляет в месяц ~ 16001 жидкой стали. В 1984 г. введен в строй вакуумный конвертер, он работает вместе с 10-т электродуговой печью (максимальная вместимость печи 14 т). Конвертер имеет высоту кожуха 3840 мм, внутренний диаметр цилиндрической части 2480 мм. Внутренний объем равен 3,8 м3. Толщина арматурного слоя футеровки равна 90-130 мм, рабочего слоя -300—500 мм. Аргон подают через блок в днище. На неподвижной вакуумной крышке конвертера размещены кислородна* фурма, зонды для замера температуры и давления и шлюз» для присадки легирующих под вакуумом. Присадка извес* гранул алюминия, а также легирующих в крупных кусках осу ществляется скипом при открытом конвертере. Этот же «си подает материалы в шлюзы. Фланец корпуса, фланец вакуУ"1 ной крышки и кислородной фурмы охлаждают водой. Вакуум"3

Но система состоит из четырехступенчатого пароэжекторного яасоса и двух водокольцевых насосов. Продувку начинают при давлении 200ммрт.ст. Минимальное остаточное давление 266,6 Па. После начала продувки давление устанавливается на уровне 133,3 кПа. Процесс обезуглероживания контролируют по установившемуся давлению и отношению С0/СО2 в отходящих газах. Продувку прекращают при достижении давления 1333 Па. Затем производят глубокую вакуумную обработку. Из конвертера металл можно выпускать порциями, оставшуюся часть металла снова продувают кислородом и выпускают в другой ковш. Сталь, выплавленная в вакуумном конвертере, имеет при равном относительном удлинении примерно на 25 % более высокий предел текучести, значительно более высокий предел прочности, на 100 % более высокую ударную вязкость, более высокое относительное сужение, чем сталь обычной выплавки [23].