книги из ГПНТБ / Заверюха, Н. В. Разливщик стали учеб. пособие

Обработка жидкой стали в ковше инертными газамй

Инертными газами являютсяГаргон, гелий, неон и др. В метал­ лургии применяется аргон, плотность которого составляет 1,66 г/см3 (на 38% больше, чем воздуха). Сталь аргоном продувается в ковшах емкостью от 5 до 300 т. Проходя через жидкую сталь в ковше, пу­ зырьки аргона абсорбируют (захватывают) растворенные в металле газы — кислород, водород, азот и неметаллические включения и выносят их на поверхность, очищая сталь от вредных примесей. Дегазирующее действие основано на диффузии водорода, кислорода

Рис. 60. Схема устройства для продувки стали” аргоном в ковше:

а—пористая пробка «на ложном» стопоре; б — пористый блок установленный

вкладку стенки ковша; в — пористые блоки, установленные в днище ковша

иазота в газовом пузырьке аргона, а в результате флотации (сма­ чивания) удаляются неметаллические включения.

Подача аргона в ковш осуществляется через пористые шамотные, магнезитовые и высокоглиноземистые пробки и блоки (пористостью 31—41%) с 80— 150 каналами диаметром 0,05 мм/см2. Коэффициент

газопроницаемости пробок и блоков колеблется от 1,4 до 6,0 м3/(м2-ч-мм вод. ст.) с пределом прочности до 450 кгс/см2, они выдерживают 10—15 продувок. Аргон подается в ковш при давле­ нии 3—4 атм, а расход колеблется от 0,15 до 0,8 м3/т.

Продолжительность продувки от 4 до 10 мин в зависимости от емкости ковша. Установлено, что пропускная способность пористых шамотных блоков ниже пористых изделий из магнезита и высоко­ глиноземистых. При продувке стали аргоном следует применять пористые магнезитовые изделия, при продувке газовой смесью (аргон, углекислый газ)—'Корундовые или высокоглиноземистые.

Аргон можно подавать через пористую пробку стопора (рис. 60, а), блок в боковой стенке ковша (рис. 60, б) или блок в днище ковша (рис. 60, в). Лучшие результаты продувки получены, когда аргон подается через пористые блоки, установленные в днище ковша в трех точках (углах равностороннего треугольника).

Степень дегазации зависит от того, как сталь была раскислена. Из нераскисленной стали удаляется большое количество газов,

70

из раскисленной — меньше. На скорость дегазации, обезуглеро­ живания и других рафинирующих реакций влияют размеры пор в блоке или пробке, через которые проходит аргон, и размеры обра­ зующихся пузырьков. Чем больше размер пузырьков, тем меньше удельная поверхность раздела газ—металл и ниже скорость про­ цесса, чем меньше поверхность пузырьков и больше их число, тем интенсивнее протекают процессы дегазации и всплывания неметал­ лических включений. Желательно, чтобы мелкие газовые пузырьки интенсивно увеличивались настолько, чтобы их подъемная сила превышала статическое давление металла и силы поверхностного натяжения.

При продувке жидкой стали аргоном из расплава удаляется около 50% кислорода, 20—40% водорода, 10—15% азота. После продувки сталь приобретает повышенную жидкотекучесть, хорошо разливается, становится химически однородной, выравнивается температура стали по объему ковша, лучше растворяются ферро­ сплавы.

Сталь, обработанная аргоном, имеет мелкозернистую структуру, более высокую плотность и пластичность и лучшую макрострук­ туру слитков и прокатных заготовок. Изделия имеют более высокие механические свойства и низкую анизотропность.

При переходе на работу с продувкой в ковше стали аргоном в разливочных пролетах надо создавать участки с соответствующим штатом рабочих и специальным оборудованием для транспорти­ ровки, хранения и использования аргона, изменять конструкцию боковой или донной части брони и способы кладки ковша.

Установка огнеупорных блоков, пробок в кладку ковша опера­

иснижение их стойкости.

Вместах продувки над ковшами следует устанавливать вытяж­ ную вентиляцию, для улавливания и удаления нагретых газов ар­ гона, углекислоты, окиси углерода, агрессивной пыли, извести, окиси натрия и калия.

При утечке аргона в подвальных помещениях, ремонтных ямах,

траншеях, под разливочной площадкой и других местах могут со­ здаваться локальные объемы атмосферы с содержанием кислорода менее 16,8%, что недопустимо по технике безопасности.

Науглероживание в ковше

При выплавке стали в мартеновских печах и конвертерах с про­ дувкой кислородом довольно часто содержание углерода в стали не соответствует заданному. В связи с этим на ряде заводов разра­ ботаны методики науглероживания стали в ковше. Для этой цели применяют углеродистые добавки, порошки угольных электродов, кокса, антрацита, которые вводят в ковш, под струю стали равно­

71

мерно малыми порциями. При этом достигается большая площадь соприкосновения углерода с железом и проходит реакция 3Fe + + С = Fe3C, в результате которой углерод растворяется в объеме жидкой стали. Жидкой сталью усваивается менее 5% С от введен­ ного. Часть углерода, соприкасаясь со шлаком, его раскисляет. Над ковшом в здании разливочного пролета образуется высокий факел пламени от горения остального углерода. Для устранения хлопков, бурного вскипания жидкой стали и шлака не следует при­ менять сырые порошки. Движение кранов, работающих в зоне открытого пламени, во время науглероживания не допускается.

Глава 3

ВНЕПЕЧНОЕ ВАКУУМИРОВАНИЕ СТАЛИ

Характеристика внепечного вакуумирования

В СССР вакуумирование стали в сталеразливочном ковше впер­ вые исследовано академиком А. М. Самариным в 1952 г. на Енакиевском заводе.

Вакуумирование как прогрессивный метод повышения качества стали развивается в двух направлениях: дегазации жидкой стали вне печи в ковше, изложницах, вакуум-камере и выплавки высоко­ легированных сталей и сплавов в вакуумных печах.

Внепечйое вакуумирование стали можно осуществить путем обработки жидкой стали в закрытом или открытом ковше с после­ дующей разливкой стали в изложницы или на УНРС обычными способами.

Вакуумная разливка, — когда вакуум создается в специальных камерах, где размещаются изложницы или кристаллизатор УНРС, или в изложнице.

При внепечном вакуумировании в ковше, вакуум-камерах и из­ ложницах протекают физико-химические процессы: дегазация стали (удаление водорода и азота), углеродное раскисление — вакуумное обезуглероживание, регулирование химического состава, легиро­ вание стали и науглероживание, снижение окисных включений и т. д. При вакуумировании контакт стали со шлаком исключается или ограничивается — должен быть минимальным, т. е. в зависи­ мости от цели и выбирается наиболее подходящий способ вакууми­ рования.

Установка должна быть хорошо уплотнена в стыках соедине­ ния насосов, приборов с надежными компенсационными соедине­ ниями на гибкость и герметичность и обеспечить получение, поддер­ жание и измерение необходимой степени разрежения.

72

печного вакуумирования достаточна степень разрежения до 0,1 мм рт. ст. Механические насосы создают разрежение в резуль­ тате эксцентрического вращательного движения роторов, обеспе­ чивающего перемещение газов из всасывающего патрубка к выхлоп­ ному. В металлургической вакуумной технике применяют струйные эжекторные насосы.

Принцип действия струйных эжекторных насосов основан на том, что рабочая струя (газ, пар, жидкость), двигаясь с большой скоростью, увлекает путем поверхностного трения засасываемый в насос газ и смешивается с ним, причем кинетическая энергия струи переходит в потенциальную энергию давления. Продолжая двигаться, эта струя уносит газ через выпускное отверстие насоса. Герметичность системы проверяют в воде или омыванием мыльной эмульсией предполагаемых мест утечки газов, предварительно

Управление запуском вакуум-насосов и приборами контроля осуществляет оператор вручную, некоторые узлы работают полу­ автоматически.

Способы внепечного вакуумирования стали

Ниже приводится классификация способов вакуумирования по виду контакта жидкой стали с вакуумом: в закрытом ковше; в струе при переливе из ковша в ковш; в струе при наполнении изложницы, при затвердевании; в открытом ковше — порционный и циркуля­ ционный.

Вакуумирование стали в закрытом ковше. Ковш с жидкой сталью и оптимальным слоем шлака устанавливают в вакуум-камеру (рис. 61, а), герметично закрывают ее крышкой и откачивают газы, снижая в ней давление. В течение 15 мин давление в камере сни­ жается до 0,3—3,0 мм рт. ст. При достижении в камере определен­ ного предела давления металл «закипает», уровень стали и шлака в ковше поднимается на 300—500 мм. Для предотвращения перелива шлака и металла через борт ковша регулируют скорость газовыделения путем изменения давления в камере.

где р — атмосферное давление, мм рт. ст.; рр — плотность ртути, т/м3; рс — плотность стали, т/м3.

Недостатки этого способа следующие:

1. В ковше не подвергается вакуумированию слой стали ниже

1500 мм;

73

2.Вакуумировать можно только раскисленную сФаЛН.

3.Возможно взаимодействие металла с неполностью удаленным шлаком.

4.Большие тепловые потери.

5.Невозможность создания предварительного разрежения и

разливки стали на воздухе. Чтобы устранить эти недостатки, фран­ цузская фирма «Эртей» сконструировала установку (рис. 61, б),

представляющую собой ковш с электромагнитным перемешиванием стали в вертикальном направлении током низкой частоты (около 1 Гц) и бункером для раскислителей. Металлическая часть ковша выполнена из немагнитной стали. Схема вакуумирования стали в ковше перемешиванием аргоном с помощью ложного стопора или пористых блоков (процесс «Газид») представлена на рис. 61, в. Интерес к процессу «Газид» увеличился в связи с разработкой новой конструкции ковша с закрытием канала стакана наружным стопо­ ром, позволяющей хорошо подогревать ковши перед выпуском стали.

В Швеции практикуется вакуумирование стали в ковше спосо­ бом АСЕА—СКФ (рис. 61, г) на установках с газовым перемешива­

74

нием, электродуговым подогревом и бункерами для раскисления и легирования.

Вакуумирование струи стали, вытекающей из ковша. В специаль­ ную камеру устанавливают подготовленный пустой ковш. В крышке камеры предусмотрено заливное отверстие. Камера и заливное отверстие герметизируются. В вакуум-камере создается заданное разрежение (рис. 62, а). Поступающая струя жидкой стали, попадая в нижний ковш, под воздействием выделяющихся газов распадается на капли, дегазируется и стекает на дно ковша. Благодаря боль­ шой поверхности жидкой стали в струе процесс дегазации в 100— 200-т ковше проходит довольно быстро (8—10 мин) со скоростью перелива 10—20 т/мин. Достоинствами способа являются: простота оборудования, возможность создания предварительного разреже­ ния, отсутствие влияния ферростатического давления и участия шлака в процессе. К недостаткам относятся: необходимость допол­ нительного парка сталеразливочных ковшей; вторичное окисление при разливке стали; высокие тепловые потери; сложность управле­ ния процессом и ограниченные возможности легирования; необхо­ димость защиты стопорного устройства в нижнем ковше от запле­ скивания и приварки; дополнительное задолживание разливочных кранов.

На рис. 62, б показана схема усовершенствованной вакуумной установки для перелива стали из ковша в ковш. Она оборудована бункерными устройствами для легирования стали, а также электро­ магнитным перемешиванием жидкой стали в период легирования и вакуумирования.

На рис. 62, в показана схема вакуумирования в струе на выпуске. В этом случае сталеразливочный ковш устанавливается под желоб печи, герметически закрывается специальной крышкой и создается разрежение до нужных пределов (ковш становится вакуум-камерой). На крышку ковша устанавливают приемный промежуточный ковш со стопором емкостью более 6 т. После наполнения промежуточного ковша стопор открывают, герметизирующие алюминиевые диски прогорают и сталь, поступая в ковш, дегазируется. Основное пре­ имущество этого способа — вакуумирование — происходит одно­ временно с выпуском плавки, что снижает тепловые потери.

На рис. 62, г приведена схема процесса вакуумирования в струе на выпуске из дуговой электропечи. Установка оборудована бун­ кером для одновременного легирования стали в ковше.

Вакуумирование стали в струе при наполнении изложниц — вакуумная разливка. При этом способе все операции проводятся так же, как в случае перелива стали из ковша в ковш. В специаль­ ных камерах размещают хорошо очищенную одну или группу излож­ ниц. Достоинство этого процесса в том, что вакуумная обработка и разливка проходят в одно время и в одной камере, исключено загрязнение стали после вакуумной обработки, отпадает контроль за снижением температуры. Недостаток — вредное влияние раз­ брызгивания струи. Для устранения этого недостатка применяют ограничители, представляющие собой металлические или футеро-

75

ванные трубы диаметром 300—400 мм и длиной 500—600 мм, уста­ навливаемые непосредственно под стаканом ковша. Вместе с тем разбрызгивание струи стали во время разливки в вакууме значи-

Рис. 63. Вакуумирование струи стали в изложнице:

а — отливка крупного слитка в вакуум-камере; б — вакуумирование нескольких слитков на сифонном поддоне в камере; в — отливка крупного слитка в вакуумированной изложнице; 1 — ковш; 2 — струя стали; 3 — вакуум-камера на изложнице; 4 — вакуум-провод; 5 — крышка; 6 — изложница

тельно увеличивает поверхность контакта стали и улучшает усло­ вия дегазации.

Этим способом (применяемым главным образом в машинострое­

76

содержит неметаллических включений на 90% меньше, чем обыч­ ная.

Двухступенчатое вакуумирование стали в струе. Принцип двух­ ступенчатой дегазации стали основан на наличии двух вакуумкамер различной конструкции, работающих последовательно. На рис. 64, а, б показаны схемы известных способов вакуумирования стали, используемых в различных производственных условиях. Один из способов заключается в том, что дегазация стали произ­ водится сначала в вакууме промежуточного ковша с подогревом,

а затем переливается и дополнительно дегазируется в разливочном ковше в вакууме (рис. 64, а).

Второй способ обработки стали в струе характеризуется тем, что сталь, дегазированная вначале в разливочном ковше в вакууме, вторично дегазируется при наполнении изложницы в вакууме

(рис. 64, б).

Применяется также способ отливки мелких слитков кипящей стали после двойного ее вакуумирования в струе. Для этой цели имеются две вакуум-камеры— большая и малая (рис. 65). В боль­ шую камеру помещают состав с изложницами и создают в ней необ­ ходимое разрежение. Тележки с изложницами перемещают при помощи толкателя под малую вакуум-камеру, где установлен про­ межуточный ковш с вакуумируемой сталью, из которого поочередно наполняют изложницы.

В практике известен способ вакуумирования стали, когда куст изложниц, уширенных кверху, герметизируют, отсасывают воздух и газы и через воронку заполняют сталью изложницы (рис. 66). Такой способ называют вакуумированием при затвердевании. Орга­ низация его связана с наименьшими капитальными затратами.

77

Вакуумирование стали в открытом ковше. Описанные выше способы вакуумирования жидкой стали в закрытых ковшах и излож­ ницах наиболее эффективно применимы в качественной металлур­ гии и машиностроении.

Для вакуумирования больших масс жидкой стали созданы пор­ ционный и циркуляционный способы, в открытых ковшах емкостью до 420 т.

П о р ц и о н н о е в а к у у м и р о в а н и е —п р о ц е с с ДН ( Д о р т м у н Х р е д е р Х ю т т е н у н и о н в ФРГ). Сущность

Рис. 67. Схема порционного вакуумирования:

а — забор металла из ковша в вакуум-камеру; б — слив вакуумированного металла из вакуум-камеры; в — устройство шлакоотделителя; 1 — патрубок; 2 — глина; 3 — дерево; 4 — лист толщиной 2,5 мм

этого способа состоит в том, что разрежение до 0,1 мм рт. ст. со­ здается в герметизированной футерованной огнеупором камере с патрубком, который вводится в ковш через шлак в жидкую сталь (рис. 67). В отпущенную камеру порция жидкой стали бурно под­ нимается на высоту ферростатического столба и за 20—30 с дега­ зируется. Затем камеру поднимают, дегазированная порция стали сливается в ковш с напором и обеспечивает перемешивание стали в ковше до дна. Герметичность процесса достигается за счет посто­ янного заглубления патрубка камеры в жидкую сталь. Емкость камеры не менее 10% от емкости ковша. Для достижения полного вакуумирования требуется трехкратный оборот стали, что дости­ гается за 18—20 мин.

Ц и р к у л я ц и о н н о е в а к у у м и р о в а н и е — процесс RH ( Р у р ш т а л ь в Х е т т и н г е н е ФРГ). Сущность процесса

78

состоит в том, что в герметизированной футерованной огнеупором камере с двумя патрубками в днище создается разрежение до 0,2 мм рт. ст. Патрубки камеры вводят в ковш через шлак в жидкую сталь и поддерживают на уровне, достаточном для сохранения вакуума в камере. Жидкая сталь поднимается на высоту ферростатического столба, а снизу по всасывающему патрубку подается несущий газ (аргон или фреон), который ускоряет движение стали, дробит струю и способствует дегазации. По второму патрубку сталь сливается в ковш с напором и обеспечивает перемешивание стали до дна. Длительность обработки 100-т ковша стали в вакуум-камере составляет 15—20 мин (рис. 68). Недостатками порционного и цир­ куляционного способов являются высокая стоимость оборудования, применение дорогостоящих огнеупоров и др. Однако благодаря высокой универсальности, производительности, возможности вакуумировать любую сталь, выплавленную в сталеплавильном агрегате любого типа, точно управлять углеродистым раскислением, дегаза­ цией, легированием и другими процессами, эти способы считаются самыми совершенными. Указанные установки хорошо вписываются

впоточную схему любого высокопроизводительного сталеплавиль­ ного цеха, в том числе и с непрерывной разливкой стали. На уста­ новках этого типа обрабатывают около 80% вакуумируемой стали

вмире.

Внепечное рафинирование стали в вакууме. При контакте жидкой стали с вакуумом в ковше, изложнице или вакуум-камере возникает реакция взаимодействия углерода и кислорода, растворенных в жид­ кой стали, что способствует непрерывному удалению кислорода и углерода из стали, т. е. происходит раскисление и обезуглеро­

что в вакууме во много раз усиливается раскислительная способ­ ность углерода. При использовании углерода в качестве раскислителя можно получить сталь, чистую от продуктов раскисления.

В процессе вакуумирования разрушаются непрочные окислы FeO, MnO, FeOSiOa и др. и соответственно снижается количество оксидных неметаллических включений, что также способствует десульфурации стали. Одновременно проходит и процесс дегаза­ ции — удаление водорода и азота.

Количество откачиваемого газа из 100-т ковша спокойной стали

чения — атомные массы компонентов реакции). Если учесть, что газ СО нагрет до 1600° С, то окажется, что каждую минуту через вакуум-камеру проходит количество СО, в 2,5 раза превышающее объем стали (рис. 69).

79