Вакуумирование стали

Вакуумирование стали, выплавленной в обычных сталеплавильных агрегатах — конвертерах, мартеновских или электрических печах, является наиболее массовым методом обработки вакуумом. Такая обработка, применявшаяся вначале главным образом для снижения поражения стали флокеночувствительных марок флокенами вследствие удаления водорода, а в последнее время в связи с усовершенствованием конструкций установок, методов вакуумирования и технологии плавки, получила распространение, так как позволила уменьшать содержание в металле и других газов (кислорода и отчасти азота). Это значительно расширило сортамент и способствовало увеличению объема обрабатываемой стали. В настоящее время нет другого такого универсального и производительного метода борьбы с содержанием вредных газов в стали, как внепечное вакуумирование стали. Основанием для широкого внедрения вакуумной обработки при массовом производстве стали послужили положительные результаты, полученные в середине пятидесятых годов в СССР и ФРГ. В дальнейшем внепечное вакуумирование получило распространение и в других странах с развитой металлургией — США, Японии, Англии, Швеции и др. К началу семидесятых годов в мире работало уже примерно 300 установок, и ежегодно в эксплуатацию вводилось еще 10—15 новых. Существует много различных способов вакуумирования, и их число постоянно увеличивается. Некоторые из предложенных вариантов вакуумирования еще не применяют, а часть из них представляется даже в известной степени нереальным. Однако тот факт, что предлагаются все новые варианты, свидетельствует о значительном интересе к этому методу повышения качества стали, а также о том, что, по-видимому, не создан оптимальный вариант вакуумирования, одинаково пригодный для всех условий. Многообразие методов внепечного вакуумирования вызывает необходимость их классификации, в основу которой должны быть положены принципиальные отличия процесса такой обработки стали, характерные для данного метода. Исходя из этого, основные способы, получившие промышленное применение, можно разделить на три группы: вакуумирование всей плавки в течение всего времени обработки; обработка непрерывно в струе при протекании металла через вакуумную камеру; обработка стали отдельными порциями вне ковша в специальной камере. При оценке того или иного метода необходимо также обращать внимание на два важнейших обстоятельства: перемешивание и подогрев ванны. Перемешивание ванны при вакуумировании больших порций металла, способствующее повышению эффективности дегазации, можно осуществлять: механическим устройством; индукционным устройством; вдуванием инертного раза. Подогрев металла необходим для компенсации тепловых потерь, а при вакуумировании и для получения необходимого перегрева по сравнению с температурой ликвидуса, которая может возрасти вследствие уменьшения при вакуумировании содержания углерода. Необходимая для нормальной разливки температура металла обеспечивается: заблаговременным перегревом его в плавильном агрегате, перед процессом обработки; подогревом металла при обработке электрической дугой; подогревом при вакуумировании в электромагнитном поле, создаваемом индуктором высокой или низкой частоты.

В последние годы в сталеплавильных  цехах отечественных металлургических заводов получила широкое распространение  технология обработки стали на установках ковш-печь (рисунок 1), которые позволяют выполнять различные виды внепечного рафинирования стали одновременно с электродуговым нагревом металла в ковше.

Рисунок 1 – Схема установки ковш-печь: 1 – металловозная тележка; 2 – сталеразливочный ковш; 3 – трансформатор стенда электродугового нагрева; 4 – крышка стенда электродугового нагрева; 5 – бункер для подачи ферросплавов и лигатур; 6 – дозирующие весы; 7 – бункера ферросплавов и лигатур; 8 – пульт управления

Для обработки на установке  ковш-печь металл подают в ковшах, оборудованных  шиберными затворами и пористыми  пробками для продувки расплава аргоном, которая необходима для выравнивания температуры и химического состава  металла в объеме ковша. На металловозной тележке ковш транспортируют к стенду электродугового нагрева, где накрывают крышкой. Крышку ковша современных установок ковш-печь обычно выполняют водоохлаждаемой. В крышке имеются отверстия, через которые в ковш опускают графитовые электроды. В зависимости от мощности трансформатора скорость нагрева металла при обработке на установке ковш-печь изменяется в пределах 2 – 5 оС/мин. Помимо оборудования, показанного на рисунке 1, современные установки ковш-печь имеют также манипуляторы для измерения температуры металла, отбора проб металла и шлака, а также оборудование для обработки стали порошками путем вдувания через погружаемые в металл фурмы или ввода порошковой проволоки.

В качестве примера рассмотрим технологию получения с использованием установки ковш-печь 155 т стали 20Г  состава, % мас.: 0,20 C, 0,25 Si, 1,4 Mn, 0,005 S, 0,015 P, 0,040 Al. Сведения об изменении температуры металла во время выпуска и внепечной обработки показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Изменение температуры стали при выпуске и обработке на установке ковш-печь

На выпуске из сталеплавильного агрегата при температуре 1630оС химический состав металла был следующим, % мас.: 0,04 C, 0,02 Si, 0,15 Mn, 0,015 S, 0,015 P, 0,00 Al (проба П0 на рисунке 2).

По ходу выпуска в ковш присаживали 368 кг ферросилиция, 561 кг ферромарганца, 124 кг алюминия, 148 кг углеродсодержащих  материалов и 1000 кг смеси извести  с флюоритовым концентратом (добавка  Д1 на рисунке 18.28). К моменту окончания выпуска температура металла понизилась до 1575оС. За время транспортирования ковша к установке ковш-печь температура металла понизилась до 1550оС.

Доводку плавки на установке  ковш-печь обычно начинают с нагрева  металла, который сопровождается продувкой  расплава аргоном. Через 7 минут после  начала обработки металл имел температуру 1575оС и следующий химический состав, % мас.: 0,14 C, 0,15 Si, 0,35 Mn, 0,010 S, 0,015 P, 0,05 Al (проба П1).

После получения результатов  анализа при температуре 1600оС в  ковш ввели 600 кг смеси извести с  флюоритовым концентратом (добавка  Д2). При этом температура металла понизилась до 1575оС. В ходе дальнейшего нагрева в ковш было подано 181 кг ферросилиция, 1705 кг ферромарганца, 86 кг углеродсодержащих материалов и 400 кг смеси извести с флюоритовым концентратом (добавка Д3). После нагрева до температуры 1600оС металл имел следующий химический состав, % мас.: 0,19 C, 0,23 Si, 1,10 Mn, 0,005 S, 0,015 P, 0,045 Al (проба П2).

После получения результатов  анализа при температуре 1605оС в  ковш ввели 47 кг ферросилиция, 692 кг ферромарганца  и 16 кг углеродсодержащих материалов (добавка Д4). Нагрев металла прекратили после повышения температуры до 1610оС, не прекращая продувки расплава аргоном. Через 10 минут после последнего ввода добавок при температуре 1590оС химический состав металла был следующим, % мас.: 0,20 C, 0,25 Si, 1,40 Mn, 0,005 S, 0,015 P, 0,04 Al (проба П3).

При этом основные технико-экономические  показатели обработки металла на установке ковш-печь были следующими: общая продолжительность обработки – 45 минут; продолжительность нагрева – 27 минут; время без нагрева – 18 минут; скорость нагрева – 4оС/мин; расход электроэнергии – 7650 кВт*ч; удельный расход электроэнергии – 49 кВт*ч/т.

Известны также способы  вакуумирования стали в ковше с одновременным электродуговым нагревом. Примером может служить показанный на рисунке 18.29 способ VAD (от английского Vacuum Arc Degassing).

Рисунок 3 – Схемы установок VAD, размещенных на тележке: а – размещение ковша в отдельной вакуумной камере; б – дегазация и нагрев металла непосредственно в сталеразливочном ковше; 1 – гляделка; 2 – подвод тока; 3 – графитовые электроды, установленные вакуумплотно; 4 - пробоотборник; 5 – бункер для подачи раскислителей и легирующих; 6 – защитный экран; 7 – вакуумпровод к вакуумному насосу