Главная | Обратная связь

Вакуумирование стали в специальных камерах

В процессе развития внепечной вакуумной обработки были разработаны и более совершенные способы дегазации, учитывающие достоинства и недостатки ковшевого и струйного вакуумирования. Несмотря на существенные различия между отдельными вариантами, общим для них является то, что вакуумирование стали проводится вне ковша в специальной камере-реторте.

В 1956 г. акционерным обществом Дортмунд Хердер Хюттену: (ДНН) в ФРГ был предложен порционный способ вакуумной обработки стали массового производства в ковшах большой емкости, получивший известность как ДН-процесс. Принципиальная схема этого способа вакуумирования представлена на рис. 1, а.

Обработка металла вакуумом происходит в футерованной камере-реторте, в которую он поступает через патрубок вследствие разности давления в камере и окружающей ее атмосфере. Патрубок, погруженный в металл, футеруют изнутри и снаружи.

Перед началом вакуумной обработки камеру подогревают при помощи газовых горелок. Затем патрубок снизу закрывают листом алюминия и камеру откачивают. На стенд под камеру устанавливают ковш и, поднимая ковш или опуская камеру, погружают патрубок в металл на глубину 250—350 мм. Для защиты листа алюминия от шлака конец патрубка прикрывают жестяным колпаком.

После расплавления алюминия металл в результате разности давления внутри и снаружи камеры поднимается в камеру; при этом предельно уровень металла может подняться от прежней отметки на 1460 мм, а глубина ванны в камере может достигнуть 600—1000 мм. При циклически осуществляемых подъемах и опусканиях камеры или ковша металл то вытекает из камеры (остается лишь в патрубке), то вновь поднимается в нее, в результате чего вакуумированию подвергаются все новые порции металла.

Рисунок. 1 Схематическое изображение различных установок вакуумирования стали в специальных камерах а — порционное вакуумирование, б — циркуляционное вакуумирование, в — циркуляционное с подогревом от индуктора, г — вакуумирование со сливом в УПНРС, 1 — сталеразливочный ковш, 2 — промежуточное устройство, 3 — вакуумная камера, 4 — приемное устройство УПНРС

Этот метод вакуумной обработки стали имеет ряд очевидных преимуществ по сравнению с ранее рассмотренными. Во-первых, сталь подвергается вакуумированию небольшими порциями, что позволяет использовать вакуумные насосы сравнительно небольшой производительности. Во-вторых, этот способ позволяет обрабатывать большие массы металла, так как масса металла в ковше не ограничивается. В-третьих, при применении такого способа обработки металл можно легко подогревать в вакуумной камере, тем самым компенсируя тепловые потери и увеличивая возможную продолжительность обработки.

Подогрев металла осуществляют, как правило, графитированными стержнями, расположенными горизонтально над поверхностью металла в камере и работающими как элементы сопротивления. В-четвертых, вытекающие из камеры порции металла интенсивно перемешивают металл в ковше, что способствует выравниванию состава во всем объеме ковша. Это позволяет, учитывая возможности подогрева металла, присаживать в ковш значительные количества ферросплавов и осуществлять легирование в процессе вакуумной обработки.

По этим возможностям этот способ является наиболее универсальным, поскольку он дает возможность вакуумировать в различных целях широкий сортамент стали, начиная от шарикоподшипниковой высокой степени чистоты и кончая низкоуглеродистой для глубокой вытяжки. Хорошее усреднение состава и высокое усвоение присаживаемых во второй половине вакуумирования материалов позволяют получать таким способом сталь, характеризуемую узкими пределами по химическому составу, что никакими другими способами выплавки металла массового производства получить невозможно.

Используя раскисление металла углеродом, можно не только уменьшить содержание в стали кислорода, но и получить сталь низким содержанием углерода, что имеет особое значение при производстве малоуглеродистых нелегированных сталей для глубокой вытяжки. Так, установка фирмы «Коппервелд Стил Корпорейшен» дозволяет получать содержание углерода в стали с точностью 0,005%. На этой установке получают шарикоподшипниковую сталь высшего качества при сокращенной на 2 ч продолжительности плавки.

Порционным способом работает около трети всех установок внепечного вакуумирования, в том числе крупнейшая установка (360 т) на заводе «Джонс энд Лафлин Стил Корпорейшен» в Питсбурге (США). Спроектированы установки для обработки стали указанным выше способом в ковше емкостью 600 т. Наряду с высокой эффективностью установки порционого вакуумирования отличаются и наибольшей сложностью конструкции, поскольку каждая из них представляет собой комплекс устройств, обеспечивающих возвратно-поступательное движение вакуумкамеры или ковша, шарнирное соединение вакуумпроводов, автоматическое взвешивание и загрузку порциями в камеру требуемого количества ферросплавов по ходу обработки без нарушения вакуума. В состав оборудования установки входят устройства для электронагрева камеры, газоохладитель, насосно-аккумуляторная станция и другие элементы.

Но, по-видимому, главной проблемой, сдерживающей повсеместное распространение этого способа вакуумирования, является низкая стойкость футеровки патрубка и камеры, подвергающейся теплому, химическому и абразивному разрушению. На заводе «Крусибл Стил» (США) стены камеры футерованы магнезитовым кирпичами толщиной 225 мм и тремя слоями изоляции (200 мм). Подина выложена магнезитом (300 мм) и хромитовой обожженной массой мм), а патрубок футерован 90%-ным глиноземистым кирпичом на высокоглиноземистой массе.

Футеровка стен и свода выдерживает 200 плавок, подины и нижней части стен 50, а патрубка 100-160 плавок. На отечественной установке опробована футеровка из корундового (93% Al2O3) и периклазо-шпинелидного кирпича, но и эти огнеупоры показали невысокую стойкость, хотя стойкость периклазо-шпинелидной футеровки оказалась выше, чем корундовой.

Фирмой «Руршталь-Гереус» (RH) в «Хаттингене» (ФРГ) разработан циркуляционный способ непрерывного вакуумирования металла в специальной камере, который известен как RH-процесс. Схема циркуляционного вакуумирования представлена на рис. 1, б.

В нижней части цилиндрической вакуумной камеры имеются два патрубка — всасывающий, наклоненный под углом примерно 10°, и вертикально расположенный сливной. Такое расположение патрубков способствует более интенсивной циркуляции металла в ковше под действием вытекающих из камеры вакуумированных порций и исключает всасывание в камеру только что продегазированного металла. Для обеспечения в камере направленной циркуляции металла днище ее выполнено наклонным, а устье сливного патрубка расположено ниже, чем всасывающего.

Процесс вакуумирования по способу RH начинается так же, как и при порционном способе. После погружения патрубков в металл и создания в камере разрежения металл всасывается в камеру на высоту 1460 мм по отношению к уровню в ковше. Во время погружения через всасывающий патрубок начинают продувать аргон, вследствие чего на металл начинает действовать создаваемая в этом патрубке дополнительная подъемная сила. Втекающая в камеру струя металла фонтанирует на высоту до 1 м, дегазируется и стекает на подину камеры. Толщина слоя металла на подине камеры составляет примерно 200 мм, поэтому дегазация продолжается и на 1 подине.

Дегазированный металл сливается через сливной патрубок обратно в ковш. Вследствие динамического напора струя вытекающего из камеры металла достигает дна ковша и вызывает хорошее перемешивание ванны в ковше.

Таким образом, циркуляционный способ сочетает основные преимущества струйной дегазации с вакуумированием металла в слое, а разбрызгивание струи аргоном в вакуумной камере и всплывание пузырей аргона в патрубке способствуют увеличению поверхности раздела металл—газ и благоприятствуют дегазации. На некоторых заводах при циркуляционном вакуумировании вместо аргона используют другие газы, позволяющие регулировать содержание в стали углерода, способствующие десульфурации или просто удешевляющие процесс. Количество вдуваемого газа, необходимое для обеспечения циркуляции металла, при применении этого процесса невелико и составляет всего 5—10% от общего количества выделяющегося газа из металла при обработке.

Методом циркуляционного вакуумирования сталь широкого сортамента обрабатывают более чем на 30 установках, работающих в разных странах мира. Например, японская фирма «Фуйи Айрон энд Стил Корпорейшен» в Хирохата таким способом производит первоклассный автолист; получающиеся при этом слитки по структуре аналогичны слиткам спокойной стали, а по составу — кипящей. В зависимости от марки стали, степени ее раскисленности и исходного содержания элементов эффективность проводимой дегазации этим способом выражается в снижении содержания водорода на 40-70%, кислорода на 30-80%, азота на 10-25%, неметаллических включений на 40-80%.

Способ циркуляционного вакуумирования по своим возможностям аналогичен методу порционного вакуумирования, но превосходит его по производительности. Но циркуляционному способу полностью присущи и все ранее отмеченные отрицательные стороны и недостатки порционного вакуумирования. Кроме того, для обеспечения работы установок циркуляционного вакуумирования требуется снабжение этих установок инертным газом и соответствующее увеличение мощности откачных средств.

Известны еще некоторые способы внепечного вакуумирования жидкой стали в специальных камерах, однако они пока еще не нашли широкого практического применения и осуществлены лишь в опытных установках или фигурируют в проектах и патентах. Например, Процесс Термо-флоу (см. рис. 1, в) отличается от процесса RH тем, что дополняет установку двумя мощными индукторами, расположенными вокруг обоих патрубков для подогрева и перемешивания металла. Индуктор на всасывающем патрубке может выполнять также и функции электромагнитного насоса, что позволяет отказаться от использования аргона для создания циркуляции металла.

Британским научно-исследовательским институтом металлургии (БИСРА) разработан способ непрерывной дегазации, предусматривающий вакуумирование стали в камере с непосредственным сливом вакуумированного металла из камеры в кристаллизатор установки полунепрерывной разливки (см. рис. 1, г).