11.2. Вакуумирование
Качество стали, подвергнутой обработке вакуумом в жидком состоянии, повышается вследствие удаления растворенных в жидком металле водорода и азота, испарения в вакууме вредных примесей цветных металлов (Sn, Sb,Рb, Аs и др.), удаления из металла вследствие его перемешивания неметаллических включений. Наряду с этим при вакуумировании нераскисленной стали снижается содержание растворенного кислорода в результате реакции [С] + [О] = СО, которая в вакууме протекает более полно, чем при атмосферном давлении.
Дегазация металла при вакуумировании основывается на том, что реакция растворения водорода и азота в жидком железе Н2 -= 2 [Н] и N2 = 2 [N] являются обратимыми. При содержании в газовой фазе над металлом N2 и П2 реакции идут вправо, т. е. происходит растворение и в тем большей степени, чем больше парциальное давление pH2 и рN2 над металлом. Если над металлом создать вакуум, постоянно откачивая все газы, то pH2 и рN2 будут почти равными нулю, поэтому реакции в соответствии с принципом Ле-Шателье (см. п. 2.1) идут в обратном направлении, т. е. будет происходить удаление водорода и азота из металла.
Наиболее распространенными являются порционное и циркуляционное вакуумирование жидкой стали.
Порционное вакуумирование (способ ОН). Установка для порционного вакуумирования (рис. 47) включает футерованную изнутри вакуумную камеру с футерованным снаружи и изнутри патрубком, систему вакуумных насосов с вакуумпроводами, устройства для подъема и опускания вакуум-камеры, бункера для загрузки ферросплавов в камеру, устройство для нагрева камеры.
До начала вакуумирования вакуум-камеру нагревают изнутри с помощью электронагревателя (графитового стержня, через который пропускают ток) или газокислородной горелки до 1500—1600 °С. Отверстие патрубка снизу закрывают алюминиевым листом, и в камере создают вакуум. Затем, опуская камеру, погружают патрубок в металл, алюминиевый лист расплавляется, и металл под действием атмосферного давления затекает в камеру на высоту ~1,45 м (от уровня металла в ковше). Вакуумирование этой порции продолжается -—30 с, после чего камеру поднимают, причем так, чтобы конец патрубка не выходил из металла; при подъеме камеры дегазированный металл выливается в ковш. Затем вновь опускают камеру, засасывая в нее новую порцию металла. Такие циклы повторяются до 30—80 раз.
Рис. 47. Схема установки порционного вакуумирования:
1 — сталевоз; 2 — футерованный патрубок; 3 — вакуумная камера; 4 — вакуумпровод; 5 загрузочный бункер; 6 — подъемник; 7 — бункера для ферросплавов; 8 -- вибропитатель; 9 — весы-дозатор; 10 графитовый нагроватоль; 11 — опорная колонна; 12 — гидроци-линдр перемешивания вакуум-камеры
В процессе вакуумирования в металл присаживают раскислители и легирующие, которые растворяются в металле благодаря его хорошему перемешиванию. Находит применение усовершенствованный способ порционного вакуумирования, при котором по стальной трубке, пропущенной через стенку патрубка в его верхней части в металл вдувают аргон. Струя аргона при подъеме через толщину металла дробится на мелкие пузыри, что улучшает перемешивание, обеспечивает более полную дегазацию и удаление неметаллических включений. Это позволяет существенно сократить число необходимых циклов вакуумирования (в 1,5—2 раза).
Рис. 48. Схема установки циркуляционного вакуумирования:
1 — сталевоз; 2 — патрубок; 3 — вакуум-камера; 4 — загрузочный бункер; 5 — весы-дозатор; 6 — бункера для ферросплавов; 7 — графитовый нагреватель
Циркуляционное вакуумирова-ние (способ RH). Установка циркуляционного вакуумирования (рис. 48) включает футерованную изнутри вакуум-камеру с двумя футерованными изнутри и снаружи патрубками, систему вакуумных насосов, механизм подъема и опускания вакуум-камеры, бункера для загрузки в камеру ферросплавов, оборудование для подачи аргона в один из футерованных патрубков камеры, устройство для нагрева камеры.
Перед началом работы нагревают футеровку вакуумной камеры изнутри до 1500—1600°С с помощью графитового электронагревателя или газокислородной горелки, закрывают алюминиевыми листами отверстия патрубков и создают в камере разрежение. После опускания патрубков в металл, он засасывается в камеру (на высоту ~1,45 м) и в патрубок начинают подавать аргон. Пузыри аргона, поднимаясь по патрубку, увлекают за собой металл, что вызывает его циркуляцию (по левому патрубку металл поднимается, а по правому сливается в ковш).
За время пребывания в камере металл дегазируется. В процессе вакуумной обработки в металл через загрузочный бункер вводят раскислители и легирующие. Продолжительность обработки 20—30 мин.
При этих способах вакуумирования содержание водорода в стали снижается на 30—70% азота — на 5—15%, содержание кислорода оксидных неметаллических включений — на 30—60%. Температура металла снижается на 30—90 °С, что требует перегрева металла, предназначенного для вакуумирования.