Вакуумирование жидкой стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вакуумирование жидкой стали

вакуумирование разливка плавка сталь

Современное машиностроение предъявляет все более высокие требования к свойствам стали. Загрязнение стали неметаллическими включениями исключает возможность получения требуемых прочностных свойств. Изготовление же стали чистой от неметаллических включений, порождаемых процессами раскисления, невыполнимо в условиях обычной практики производства. Поэтому возникает необходимость применения новых методов выплавки стали.

Одним из таких методов является использование вакуума в процессе плавки, внепечного вакуумирования и при разливке стали. Таким образом, вакуумирование жидкой стали после выпуска из плавильного агрегата может служить дополнительным звеном операции раскисления стали, дегазации и очистки от неметаллических включений. Вакуумирование жидкой стали позволяет в полной мере использовать преимущества углерода и водорода как элементов-раскислителей по сравнению с другими раскислителями благодаря газообразной форме получающихся продуктов раскисления.

Создание вакуума над жидкой сталью в ковше или изложнице снижает давление окиси углерода, получающейся в результате взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в стали, и тем способствует непрерывному удалению обоих компонентов из металла. Иными словами, создание вакуума способствует самораскислению стали за счет углерода.

В вакууме во много раз усиливается раскислительная способность углерода.

Если учесть, что раскисление стали всегда сопровождается, кроме того, десульфурацией, то станет ясным, что процесс рафинирования методом вакуумирования имеет важное значение для облагораживания стали.

В зависимости от требуемого качества стали и специализации заводов на выпуск определенной продукции применяют различные способы вакуумирования жидкого металла. В настоящее время на заводах из многочисленных имеющихся вариантов более широкое применение получили четыре способа вакуумирования стали.

По первому способу, предложенному А.М. Самариным и Л.М. Новик в 1941 г., разливочный ковше металлом помещают в теплоизолированную вакуумную камеру, после чего закрывают камеру крышкой с газоплотным затвором и начинают откачку газов.

Продолжительность вакуумирования связана со стойкостью огнеупорных стопорных катушек и футеровки ковша и назначенной температуры металла при разливке. Обычно вакуумирование металла в ковше продолжается 10-15 мин. За это время температура металла в зависимости от емкости ковша снижается на 45 - 60 град.

При установке более мощных вакуумных насосов можно сократить продолжительность вакуумирования и достигнуть той же степени дегазации. Установка пароэжекторных насосов может обеспечить остаточное давление 0,5-1,0 мм рт. ст.

Процесс дегазации сопровождается бурлением и вскипанием шлака и, вероятно, верхних слоев металла в ковше. Более интенсивно шлак и металл кипят возле стопора и футеровки ковша. После отключения насосов дегазация прекращается и шлак оседает. С увеличением емкости ковша и его высоты эффективность дегазации стали в ковше снижается из-за отрицательного влияния ферростатического давления (высокого столба металла) в ковше.

По опубликованным данным, при вакуумировании бессемеровской кипящей стали на Енакиевском заводе, рельсовой бессемеровской стали на заводе им. Дзержинского и трансформаторной стали на заводе «Днепроспецсталь» было получено значительное повышение качества за счет снижения в стали водорода, кислорода, частично азота, а также неметаллических включений.

На заводе «Красный Октябрь» внедрена новая технология выплавки шарикоподшипниковой стали в электродуговых печах, которая включает вакуумирование стали в ковше как необходимый промежуточный этап технологии плавки. По этой технологии, разработанной Московским институтом стали и сплавов совместно с заводом, вакуумированию подвергается выпущенный из печи металл, не содержащий сильных раскислителей, что обеспечивает достаточно активную реакцию углерода в условиях вакуума с растворенным кислородом. Благодаря предварительному раскислению металла углеродом под вакуумом требуется вводить в металл гораздо меньше ферросилиция и алюминия для окончательного раскисления и доводки по анализу. Эти ферросплавы добавляются в металл также под вакуумом через специальный бункер, вмонтированный в крышку камеры.

Внедрением в производство новой технологии значительно повышено качество шарикоподшипниковой стали в результате снижения в ней кислорода, водорода, частично азота, балла оксидов и глобулей, и, кроме того, получена значительная экономия ферросплавов за счет снижения угара кремния и алюминия.

Наш способ вакуумирования стали, не содержащей сильных раскислителей, с последующим окончательным ее раскислением под вакуумом в ковше, как следует из литературных источников, теперь широко заимствуется зарубежными заводами.

При вакуумировании спокойной стали в ковше емкостью до 25 т и остаточном давлении 5-10 мм рт. ст. содержание водорода снижается в 2,5 раза и составляет в среднем до 2 см³/100 г. металла; в кипящей бессемеровской стали, вакуумированной при остаточном давлении 15-20 мм рт. ст., содержание водорода снижается в 2 раза и составляет 2-3 см³/100 г. Обнадеживающие результаты получены при способе вакуумирования стали в ковше с одновременной продувкой металла под вакуумом инертными газами (аргоном). Это расширяет возможность использования способа вакуумирования стали в ковше до емкости 80-100 т.

Во многих случаях вакуумирование стали в ковше сочетается с одновременным электромагнитным перемешиванием металла в ковше, как это например практикуется на заводе «Красный Октябрь».

По второму способу сталь подвергается вакуумированию во время переливания ее из одного ковша в другой, установленный в вакуумной камере, или при заливке металла в изложницу. Пустой ковш, предварительно разогретый, устанавливают в вакуумной камере, после чего ее закрывают крышкой, в которой имеется специальное отверстие, закрываемое алюминиевым листом для создания герметичности. Производится откачивание газов из камеры. Сверху на крышку камеры устанавливают промежуточный ковш со стопором, куда металл поступает из разливочного ковша. После открытия стопора промежуточного ковша струя металла прожигает алюминиевый лист и попадает в вакуумированное пространство камеры, где она разрывается газами и дегазируется раньше, чем достигнет установленного там ковша или изложницы.

Нарушение сплошности струи стали способствует ее быстрой дегазации. Скорость перелива металла достигает 5-10 т/мин. За время перелива температура металла снижается на 30-60 град. При этом способе особое внимание придают хорошему нагреву обоих ковшей.

Сталь, дегазированную способом перелива и при вакуумировании в ковше, затем разливают в изложницы на воздухе, защищая струю инертным или восстановительным газом. При этом не удается избежать частичного вторичного окисления. В результате глубокой дегазации и общего снижения неметаллических включений достигается значительное повышение качества стали. Содержание водорода в обработанной этим способом стали снижается в 2 раза (при остаточном давлении 5 мм рт. ст.); остается водорода в стали около 2 см³/

Схема устройства для вакуумирования металла порциями из открытого ковша: камеры и насосы расположены на платформе, подвешенной к мостовому крану: при опускании футерованной трубы в ковш с металлом, в камеру засасывается небольшая порция металла (10-20 т), которая подвергается вакуумированию в течение 30 сек. При подъеме камеры дегазированная сталь выливается обратно в ковш. Такие операции повторяются до тех пор, пока металл не будет дегазирован до желаемого предела.

Во время вакуумирования иногда металл в камере подогревается графитовым или электродуговым подогревателем. Продолжительность обработки стали в ковше составляет около 20 мин. Спускаемый из камеры дегазированный металл хорошо перемешивается с основной массой в ковше. Моделирование (вода и глицерин) показало, что падающая из трубы струя жидкости проникает до дна ковша, а новые порции, засасываемые в камеру для дегазации, забираются из верхних слоев металла в ковше.

Этим способом можно обрабатывать металл в ковшах большой емкости. При этом отпадают затраты на строительство глубоких камер, а вакуумирование небольших порций металла позволяет применять менее мощные вакуумные насосы. Но для успешной работы по этому способу требуются высококачественные стойкие огнеупоры для футеровки низа камеры и погружаемой в металл трубы. При давлении в камере 1-10 мм рт. ст. получают сталь с содержанием водорода 2,0-2,5 см³/100 г. металла.

Схема вакуумирования циркулирующего металла в камере, инжектируемого из открытого разливочного ковша большой емкости: благодаря действию вакуума металл поднимается в обеих трубах на одинаковый уровень, но при вдувании под небольшим давлением небольших количеств инертного газа в одну из труб происходит опережающий подъем металла, благодаря подъемной силе увеличивающихся в объеме многочисленных газовых пузырьков, поднимающихся вверх в камеру по направлению действия вакуума. По литературным данным, вакуумирование стали при ее циркуляции позволяет в два раза снизить содержание водорода в стали.

Вероятно, для обработки небольших количеств стали применяют дополнительный обогрев трубы, предназначенной для спуска дегазированного металла обратно в ковш. Для этого устанавливают трансформатор, вторичной обмоткой которого является жидкий металл. Этот способ может быть использован для дегазации больших масс металла в ковшах. Здесь также не требуется сооружения вакуумных камер.

Видоизмененный способ циркуляционного вакуумирования металла в ковше емкостью 100 т внедрен в производство на одном из отечественных заводов.

Другие предложенные способы вакуумирования жидкой стали базируются на описанных выше принципах или включают элементы дополнительной новизны.

Степень очищения стали от газов зависит от остаточного давления в камерах, где происходит дегазация, и способа обработки в вакууме. Так, например, при достижении одного и того же остаточного давления в камере при вакуумировании стали в ковше емкостью 100 т (высота ковша около 4 м) и в небольшой камере циркуляционного вакуумирования, где во время движения находится не более 2-5 т металла, значительное тормозящее влияние ферростатического давления на дегазацию в первом случае предопределяет меньший эффект дегазации металла, чем во втором.

В настоящее время различными способами обрабатывается в вакууме шарикоподшипниковая, рельсовая, трансформаторная, конструкционная и другие специальные стали. Дегазацией металла в вакууме удается снизить содержание водорода на 40 - 60%, кислорода - на 50-70%, азота - на 5-10%, а также уменьшить количество неметаллических включений. Цикл термической обработки больших поковок значительно сокращается. Брак стали по флокенам и шиферному излому резко уменьшился.

Существует устройство для разливки стали в вакууме на небольшие слитки, которое применялось на заводе «Красный Октябрь» с 1956 г. Сталь разливали через промежуточную емкость, в нижней части которой расположены патрубок для отсоса газов, коробка для люнкеритового порошка, которая раскрывается после окончания наполнения прибыли металлом, и смотровое устройство. Для контроля уровня поднимающегося металла имеется специальная сигнализация. Вакуум создавался непосредственно в полости изложницы.

На том же заводе была сооружена камера для сифонной разливки металла в вакууме одновременно трех слитков массой по 4,2 т каждый. Камера сварена из листов 12 и 20 мм и усилена ребрами жесткости. Разъем уплотнен резиновыми кольцами. Сверху расположены три бункера для люнкеритового порошка, смотровое отверстие, предохранительный клапан, необходимый при разливке в защитных средах, и промежуточная емкость со стопором. Слой металла в промежуточной емкости служит жидким затвором во время разливки. Верхняя часть камеры снимается и устанавливается разливочным краном.

Устройство для разливки кипящей стали в вакууме на слитки 7-7,5 т: вакуумируют металл во время заполнения изложниц и в начале процесса кристаллизации. Газы, выделяющиеся из металла в каждой изложнице, попадают в одну общую газосборную трубу, соединенную с вакуумным насосом. В устройстве для вакуумирования и разливки сверху кипящей стали на слитки массой 5-8 т. В верхней камере вакуумируют жидкую сталь, а в нижней - разливают дегазированную сталь в изложницы. Путем частичного удаления газов можно получить полуспокойную сталь, а при глубоком вакуумировании - спокойную.

В то же время было установлено, что вакуумирование в ковше больших масс трансформаторной электростали (90-100 т) под толстым или тонким слоем шлака при остаточном давлении 5 - 15 мм рт. ст. не улучшает электромагнитных свойств. Поиски более эффективных способов внепечной обработки трансформаторной стали привели к разработке нового технологического процесса - вакуум-шлаковой обработки стали. Так Г. Ойкс, Г. Соколов, И. Зуев, А. Зубарев, В. Петров и Б. Барвинский предложили подвергать трансформаторную сталь вакуумированию при переливе на кипящий шлак, спущенный заранее из разливочного ковша в нижний ковш, установленный в вакуумной камере. В процессе вакуумирования стали с одновременной повторной обработкой ее в вакууме кипящим белым шлаком этой же плавки повышается коэффициент распределения серы с 50-70 до 80-140 (остаточная концентрация серы в стали 0,002-0,004%) и снижается количество неметаллических включений на 40%. В результате этого повысились магнитные свойства стали и увеличился выход первых сортов трансформаторной стали в толщине 0,35 мм.

Как ранее уже отмечалось, весьма перспективным является использование аргона или гелия для продувки металла во время вакуумирования в ковше или продувки металла аргоном в ванне сталеплавильного агрегата и особенно в ковше емкостью до 100 т на воздухе с целью дегазации и снижения содержания неметаллических включений. Металл продувают через пористые пробки, установленные в днище ковша.

Размещено на Allbest.ru