Формирование научных основ технологии вакуумирования стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование научных основ технологии вакуумирования стали

1. История развития техники в металлургии

вакуумный металлургия рециркуляционный

История развития технологий в металлургической области берет начало с самых древних времен, когда человек научился выплавлять металлические изделия. Из-за роста потребностей человечества металлургическое производство переросло из малых мастерских в большие металлургические заводы, а потребность в качественном металле дала толчок к развитию новых металлургических агрегатов.

Все возрастающие требования к качеству стали, а также необходимость повышения производства и снижения расходов по переделу привели к тому, что сталеплавильные агрегаты во все большей мере используются для расплавления, а металлургические задачи по доводке и рафинированию металла, если не считать дефосфорацию, стали решаться вне печи, в ковше или специально приспособленном агрегате. Так возникла ковшовая, или вторичная, металлургия.

Ранним способом ковшовой металлургии можно считать внепечную обработку стали в ковше жидкими синтетическими шлаками. В 1933 г. для такой обработки Перрен использовал шлаки из извести и плавикового шпата, которые предварительно расплавляли в однофазной электродуговой печи и сливали в ковш перед выпуском стали. Перемешивание струи стали со шлаком в ковше при выпуске вело к быстрому снижению содержания серы и снижению загрязненности стали оксидными включениями. В этом процессе одновременно решаются вышеуказанные важнейшие задачи современной ковшовой металлургии, хотя он из-за высоких затрат на предварительное расплавление шлака и трудности управления не нашел широкого применения. В измененной форме процесс используется в тех случаях, когда сталь выпускают из электродуговых печей совместно с восстановительным шлаком.

Решающим толчком к развитию ковшовой металлургии послужило создание в 50-х годах крупных промышленных установок вакуумирования стали. Дальнейший успех был связан с разработкой способов внепечной обработки стали при атмосферном давлении, которые смогли решить некоторые металлургические задачи.

2. Развитие вакуумной технологии в металлургии

Впервые о возможности применения пониженного давления в металлургии высказал Г. Бессемер в своем патенте 1865 г. В нем он использовал понижения давления для закачки расплава в изложницу (рисунок 1).

Рисунок 1. Способ Г. Бессемера по закачке расплава металла в изложницу при откачке из нее воздуха

Вслед за Бессемером, ученые XIX века начали разрабатывать новые вакуумные установки, которые уже использовались для дегазации стали. Так, Р. Айткен предложил в 1882 г. способ дегазации, изображенный на рисунке 2: патрубок, расположенный в нижней части футерованной вакуумной камеры, вводится в расплав, находящийся в разливочном ковше. При откачивании атмосферы из камеры порция металла под действием атмосферного давления затекает в нее. После того как порция металла продегазирована, она вытекает через патрубок обратно в ковш. Процесс продолжается до тех пор, пока вся находящаяся в ковше сталь не будет обработана.

Рисунок 2. Способ Р. Аиткена по вакуумной дегазации стали порциями: 1 - цепи; 2 - патрубок, ведущий к вакуумному насосу; 3 - опускаемая вакуумная камера; 4 - первоначальный уровень металла в ковше

В 1883 г. Р.Г. Гордон получил патент на способ отливки слитков в вакууме.

Согласно патенту, полученному Е. Меем в 1897 г., разливка стали по многим изложницам, расположенным по кругу в вакуумной камере, осуществляется под вакуумом за счет перемещения поворотного желоба (рисунок 3).

Рисунок 3. Способ Е. Мея по отливке слитков при пониженном давлении: 1 - вакуумная камера; 2 - крышка камеры; 3 - гляделки; 4 - поворотный разливочный желоб; 5 - отверстие для заливки стали; 6 - изложницы

вакуумный металлургия рециркуляционный

Т. Уайрайт в 1888 г. предложил способ обработки жидкой стали вакуумом в потоке (рисунок 3). Способ осуществляется в агрегате, имеющем на обоих концах U - образные патрубки. Расплав подается со стороны А в полость В агрегата находится под вакуумом. Атмосферное давление заталкивает расплав в полость В, где расплав дегазируется и вытекает со стороны С. Движение расплава через вакуумную камеру осуществляется за счет разности уровней зеркала металла в приемном патрубке А и сливном патрубке С (в последнем он более низкий). Для снижения тепловых потерь было предложено вакуумную камеру предварительно подогревать газом.

Рисунок 4. Способ Т. Уайрайта по непрерывной дегазации стали в U-образном агрегате

В 1931 г. Е. Вильямс предложил (рисунок 5) в принципе аналогичный способ непрерывной вакуумной обработки стали. Однако дополнительно в подъемный рукав 4 необходимо подавать газ. Плотность газометаллической эмульсии в нем ниже, чем исходного металла, поэтому уровень зеркала металла в вакуумной камере 6, поступающего через подъемный рукав, выше, чем уровень зеркала дегазированного металла в спускном рукаве 7. Разница уровней металла в ковше 1, в котором находится металл, подлежащий обработке, и ковше 2, в который стекает обработанный металл, а также разница уровней зеркала металла в подъемном и спускном рукаве в вакуумной камере являются движущейся силой перемещения металла.

Рисунок 5. Способ Е. Вильямса по непрерывной дегазации стального расплава с использованием транспортирующего газа: 1 - ковш с металлом, подлежащим обработке; 2 - ковш с металлом, прошедшим вакуумную обработку; 3 - подача газа; 4 - подъемный рукав; 5 - патрубок откачки газа; 6 - вакуумная камера; 7 - спускной рукав

Рисунок 6. Способ Е. Вильямса с концентрическим расположением подъемного и спускного рукавов: 1 - ковш с металлом; 2 - подъемный рукав; 3 - спускной рукав; 4 - вакуумная камера; 5 - подача газа

В 1938 г. Л. Маре запатентовал способ вакуумной обработки, изображенный на рисунке 6. Жидкий металл из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, откуда вытекает в вакуумную камеру. В этой камере находится второй разливочный ковш, в котором собирается металл, продегазированный в струе.

Рисунок 7. Способ дегазации стали по патенту Л. Маре (патент США №2253421)

В 1949 г. Ф.Б. Уэлдрон предложил процесс вакуумной дегазации стали (рисунок 8), в котором вакуумная камера, находящаяся между двух электродуговых печей, имеет индукционный подогрев металла.

Рисунок 8. Производство стали с вакуумной дегазацией (предложение Ф.Б. Уэлдрона)

Приведенный обзор не является полным, он только показывает разносторонность сделанных предложений еще до того, как первые вакуумные установки были использованы на производстве. Эта цель была впервые достигнута в 1954 г. пуском в строй установки по вакуумированию стали в струе и при отливке слитков под вакуумом. В 1962 г. этот способ был трансформирован в способ обработки струи стали при выпуске. В короткое время были созданы другие промышленные способы вакуумной обработки стали: в 1956 г. был осуществлен способ порционной обработки стали, а в 1959 г. - циркуляционный. Точно так же с 1956 г. известен метод ковшового вакуумирования, который в дальнейшем был усовершенствован за счет принудительного перемешивания расплавленной стали путем продувки аргоном или использования электромагнитных полей.

3. Разновидности вакуумных установок

В ХХ веке из-за роста потребности в высококачественной и низкоуглеродистой стали появилась потребность в вакуумных установках, которые способны выполнять производственные нужды. В результате этого появились основные виды вакуумных установок, которые использовались ранее и которые используются и по сей день (рисунок 10).

На сегодняшний день вакуумные установки это сложные индустриальные агрегаты, над конечным обликом которых трудилось множество ученых в разные года XX века. На крупных заводах данные агрегаты обязательно используются в технологической цепочки «установка усреднения металла - вакууматор - агрегат печь-ковш». Данное решение позволило повысить производительность металлургических заводов и снизить брак.

Рисунок 9. Виды вакуумных агрегатов

Струйное вакуумирование

Конструкции вакуум-камер и крышек различаются положением стыка между ними по высоте и, соответственно, формой крышки. Известны конструкции с расположением стыка на уровне, приблизительно соответствующем середине высоты стенки камеры, и крышкой в виде колокола. В этом случае упрощается установка заполняемого ковша или изложницы, однако увеличивается требуемая высота рабочего пространства. Чаще стык располагают в районе кромки ковша, а крышка имеет относительно небольшую высоту и выполняется в виде свода.

Вакууматор работает следующим образом. После установки ковша в вакуум-камеру тележка для перемещения крышки вакуум-камеры передвигается в рабочее положение, при этом штоки домкратов находятся в крайнем верхнем положении. После совмещения осей крышки и вакуум-камеры штоки домкратов опускаются и крышка устанавливается на вакуум-камеру. На крышку устанавливается ковш с металлом, а в вакуум-камере создается разрежение. Затем открывается стопор в ковше. Струя металла прожигает легкоплавкую пластину и начинает переливаться в ковш через разреженное пространство.

Рисунок 10. Общий вид струйного вакууматора: 1 - рампа; 2 - ходовые колеса; 3 - домкраты; 4 - крышка; 5 - вакуум-камера; 6 - ковш; 7 - стопор

Ковшовое вакуумирование

Отличительной особенностью ковшового вакуумирования является одновременная обработка всей массы плавки непосредственно в сталеразливочном ковше. В состав технологических операций ковшового вакуумирования, как и любого другого процесса внепечной обработки металла, входит подача раскислителей, шлакообразующих и легирующих материалов. Наряду с перечисленными операциями осуществляется также контроль параметров плавки путем введения на глубину 500… 1000 мм сменных одноразовых зондов с пробницей и / или датчиками температуры и окисленности металла.

Современные ковшовые вакууматоры наиболее эффективны при производстве «сложных» марок стали; однако проведение большого числа технологических операций в этом случае увеличивает время обработки и снижает производительность оборудования.

Другая проблема, возникающая при создании и эксплуатации ковшовых вакууматоров, связана с перемешиванием ванны металла в ковше. Так как вакуумированию подвергаются лишь поверхностные слои металла, для эффективной обработки и получения однородного металла необходимо их постоянное обновление. Для обеспечения циркуляции металла в ковше применяют либо электромагнитное перемешивание с помощью индуктора, наличие которого существенно усложняет оборудование и снижает его надежность, либо перемешивание путем вдувания инертного газа через пористые пробки, располагающиеся в днище или нижней части стенки ковша.

Наиболее простым способом ковшового вакуумирования является выдержка сталеразливочного ковша с металлом при пониженном давлении с принудительным перемешиванием ванны инертным газом (рисунок 12). Такой процесс получил обозначение VD, которое впоследствии было распространено на все процессы ковшового вакуумирования, не связанные с подогревом или вдуванием кислорода, независимо от способа перемешивания. Ковш с расплавом помещают в вакуумную камеру или герметизируют его непосредственно, с помощью вакуумной крышки, стыкуемой с фланцем, выполняемым снаружи ковша, после чего давление над поверхностью расплава плавно снижают до 65 Па и осуществляют дегазацию расплава.

Рисунок 11. Вакуумирование стали в ковше: 1 - вакуумная камера; 2 - газоотводящий патрубок; 3 - крышка вакуумной камеры; 4 - шлюзовое устройство; 5 - устройство для контроля параметров; 6 - смотровое окно; 7 - экран; 8 - сталеразливочный ковш; 9 - подача аргона

Рециркуляционные вакууматоры

Общим для рециркуляционных способов вакуумирования является обработка относительно небольшого количества металла в замкнутом объеме специальной вакуум-камеры. При этом обеспечивается эффективная дегазация вследствие интенсивного кипения и незначительной толщины слоя обрабатываемого металла, высокая точность легирования в результате подачи материалов на поверхность, свободную от шлака, интенсивное перемешивание и высокая производительность. Кроме того, в процессе вакуумной дегазации происходит обезуглероживание металла, что особенно важно при производстве стали особо низкоуглеродистых марок, таких как автолист, коррозионно-стойкие и электротехнические стали.

По сравнению с другими процессами вакуумирования, рециркуляционные способы характеризуются высокой производительностью и широко применяются при массовом производстве металла на МНЛЗ.

В порционных вакууматорах (рисунок 13) масса обрабатываемого металла в вакуум-камере, а следовательно, и их производительность, зависят от степени наполнения ковша. Достоинствами порционного вакуумирования являются более высокая степень удаления водорода, меньший расход энергоносителей и огнеупоров.

Рисунок 12. Схема порционного вакуумирования: 1 - ковш со сталью; 2 - вакуум-камера; 3 - питатель; 4 - нагреватель; Н_б - высота барометрического столба жидкости

В циркуляционных вакууматорах (рисунок 14) камера может быть размещена внутри сталеразливочного ковша, что обеспечивает возможность обработки плавки при значительных отклонениях уровня металла от номинального значения. Важное отличие циркуляционного вакуумирования состоит в том, что в течение всего процессе в камере постоянно находится металл, благодаря чему возможна продувка металла кислородом в вакууме (окислительное вакуумирование). Это дает значительный экономический эффект при производстве коррозионностойких хромистых сталей за счет снижения угара хрома и возможность получения особо низкоуглеродистых сталей.

Рисунок 13. Схема циркуляционного вакуумирования: р_в - остаточное давление в вакуум-камере; р_а - атмосферное давление; D_вк - диаметр вакуум-камеры; D_к - диаметр ковша; d - внутренний диаметр всасывающего и сливного патрубков; L - расстояние между патрубками; Н_б - высота барометрического столба жидкого металла; ДН - динамическое приращение слоя металла; h - высота слоя металла в вакуум-камере; h_шл - толщина слоя шлака

В целом, степени дегазации и удаления неметаллических включений, а также однородность металла, достигаемые при порционном и циркуляционном способах вакуумирования, приблизительно одинаковы. Оба типа вакууматоров отличаются от прочих возможностью почти полной автоматизации управления технологическим процессом.

Сходство или совпадение элементов технологических процессов порционного и циркуляционного вакуумирования предопределяет конструктивное подобие агрегатов для их реализации.

Заключение

С момента, когда Г. Бессемер запатентовал свое изобретение, вакуумные технологии далеко шагнули. Современные установки полностью отличаются от первых своим техническим решением, но принцип работы остался тем же. Теперь ни один из крупных металлургических заводов не обходится без вакуумной установки, которая позволяет выплавлять сталь высшего качества.

Но развитие вакуумных технологий не остановилось. На сегодняшний день вакуумные технологии применяются в разных сферах жизнедеятельности человека таких как: медицина, космонавтика, пищевая продукция и др.

Список используемой литературы

1. Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Ч.П. Основы и технология ковшовой металлургии: Пер. с нем. М.: Металлургия. - 1984. - 414 с;

2. Внепечная обработка чугуна и стали / Кудрин В.А. - М.: Металлургия. 1992. - 336 с.;

3. Внепечное вакуумирование стали / Морозов А.Н., Стрекаловский М.М., Чернов Г.И., Кацнельсон Я.Е. - М.: «Металлургия», 1975. - 288 с.;

4. Машины и механизмы сталеплавильного производства / Ловчиновский Э.В. - М.: Металлургия. 1982. - 198 с.;

5. Оборудование для внепечной обработки стали / А.В. Протосов, Н.В. Пасечник, Б.А. Сивак. - М.: Интермет Инжиниринг, 2010. - 415 с.;

6. Машины и агрегаты металлургического производства / Протасов А.В. - М.: «Металлургия», 2009.

Размещено на Allbest.ru