18. Способы внепечной обработки стали (подробно: вакуумная обработка стали).

Вакуумирование стали в ковше (рис. 4.3) осуществляется следующим образом: сталеразливочный ковш (4) с расплавленным металлом помещается в специальную камеру (1), которая герметично закрывается и в ней создается вакуум. Сталь выдерживается под низким давлением некоторое время. Одновременно в ковше металл может принудительно перемешиваться, нагреваться. Попадание шлака с металлом нежелательно. При откачке воздуха из камеры металл начинает кипеть (нераскисленные стали интенсивнее раскисленных) уже при давлении 60…80 кПа; чем ниже остаточное давление, тем выше интенсивность кипения. По мере снижения процесса кипения в ковш можно вводить необходимые легирующие элементы. Этот способ вакуумирования имеет следующие достоинства: простота оборудования для осуществления процесса, относительно малые теплопотери, он хорошо вписывается в технологическую цепочку цеха.

При вакуумировании в ковше водород удаляется до содержаний 1,5…2,5×10-4 %, или на 50…75 %. Существенно сказывается на величине остаточного содержания водорода степень раскисленности стали. Нераскисленная сталь дает лучшие результаты. Степень удаления азота не превышает 20 %, удаление кислорода до 50 %. Кроме того, в стали после вакуумирования остается значительно меньше оксидных неметаллических включений. Чтобы улучшить процессы вакуумирования металл в ковше перемешивают, например, продувкой аргоном через пористую пробку, установленную в днище ковша. Этот способ вакуумирования, главным образом, применяют при производстве высокохромистых сталей. При этом достигают 0,015…0,020 % углерода и усвоения хрома до 98,0 %. Наиболее эффективным способом вакуумирования в ковше является процесс VAD, который характеризуется тем, что используется электродуговой подогрев металла во время вакуумирования и продувка аргоном через пористые пробки в днище ковша.

Главным недостатком вакуумирования в ковше является невысокая его эффективность, что и вызвало необходимость появления многих разновидностей этого способа.

Способ порционного вакуумирования (Рис. 4.4) появился в пятидесятые годы ХХ века и сразу нашел широкое применение. Он заключается в том, что часть металла (около 10-12 %) из разливочного ковша засасывается в вакуумную камеру, находящуюся над ним, выдерживается там некоторое время, дегазируется и возвращается обратно в разливочный ковш. Вакуумная камера имеет специальный патрубок, который и опускается в металл. Перемещаться вверх-вниз может как ковш, так и вакуумная камера в зависимости от конструкции установки. Из-за разницы давлений между внутренней полостью камеры и атмосферой над расплавом жидкий металл затекает в вакуумную камеру на высоту не более 1,4 м. В разряженном пространстве идут реакции дегазации металла. Над камерой предусмотрены несколько герметичных бункеров для ферросплавов. Перед вакуумированием металла вакуумную камеру подогревают до температуры 1300…1500 0С, время дегазации колеблется от 20 до 30 с. Чтобы достигнуть удовлетворительных результатов вакуумирования необходимо, чтобы весь металл ковша прошел через вакуумную камеру 3…4 раза.

Этим способом можно достигнуть удаления 60…80 % водорода, 25…30 % азота, а при вакуумировании нераскисленной стали можно удалить до 90 % кислорода с существенным снижением оксидных НВ (до 50 %). При легировании существенно снижается угар элементов.

Недостатками данного способа вакуумирования являются: низкая стойкость огнеупоров вакуумной камеры, а также существенные потери температуры металла.

Циркуляционное вакуумирование появилось позже порционного, и так же нашло широкое применение в промышленности. Установка состоит из вакуумной камеры с двумя рукавами – подъемным и сливным (Рис.4.4а). Камера соединена с вакуумным насосом. При опускании патрубков в металл и создании разряжения сталь поднимается в камеру и устанавливается на барометрическом уровне. В камере создается слой металла высотой 200…400 мм. В один из рукавов в металл подается аргон, который образует в нем взвесь мелких пузырьков, поднимающихся по патрубку и увлекающих за собой металл. По мере подъема пузырьки растут, осуществляя первичную дегазацию металла. Попав в вакуумную камеру, металл дополнительно дегазируется и под действием ферростатического давления стекает через второй патрубок и в ковш. Таким образом происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру с установившейся определенной скоростью. Она зависит от диаметра патрубков, остаточного давления в вакуумной камере, расхода аргона и места подвода его в патрубке и др. Скорость движения металла в подъемном патрубке может достигать 60 м/мин, а расход аргона - до 30 л/т. Подачу аргона начинают до поступления металла в вакуумную камеру. Перед началом процесса камеру нагревают до 1450…1550 0С. Коэффициент циркуляции необходимо поддерживать в пределах 3…4. Потери температуры при вакуумировании могут быть до 100 0С. Наиболее распространенный способ компенсации теплопотерь – предварительный перегрев металла в плавильном агрегате. Предусмотрен ввод ферросплавов.

Как видно из описания всех способов вакуумирования, одним из их недостатков является существенное снижение температуры стали. Это послужило одной из причин появления нового способа ковшевого вакуумирования металла, предусматривающего дополнительный нагрев, перемешивание, обработку аргоном, возможность легировать и др. Такая установка получила название печь-ковш.

Оборудование этой установки состоит из следующих основных устройств:

электродугового нагрева;

электромагнитного перемешивания;

вакуумной обработки;

дозирования легирующих материалов и раскислителей;

продувки аргоном;

вакуумных насосов и др.

Процесс обработки металла протекает следующим образом: металл, выплавленный в плавильном агрегате, где из него удален фосфор и значительная часть серы, а углерод соответствует заданной марке стали, поступает в ковш без окислительного шлака. В процессе выпуска и перелива в ковше наводят нейтральный или основной шлак в количестве 1,0…2,0 % от массы металла. Ковш помещается в вакуумную камеру, которая закрывается, включаются насосы откачки воздуха и дуговая установка. Перемешивание металла осуществляют либо электромагнитами, либо продувкой аргоном, который подают через пористые вставки в днище ковша. После прекращения кипения металла в него вводят раскислители или легирующие. Длительность такого процесса составляет 45…90 мин. Это способ обработки металла дает хорошие результаты по улучшению качества стали, но требует дополнительных затрат.