Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 261

Вероятно, это связано с тем, что благодаря

значительному прогрессу в области вакуумной техники и

ковшевой металлургии существенно расширились технические

и технологические возможности ковшевого вакуумирования, в

частности, камерных вакууматоров [290]. Преимущество обра-

ботки в вакуумной камере (VD) над обработкой в ковше под

вакуумной крышкой заключается в возможности применения

обычных ковшей, обеспечении более простого

и надежного

способа уплотнения крышки с камерой и, как следствие, более

низкой скорости "натекания". Технология камерного вакууми-

рования параллельно с дегазацией обеспечивает интенсивное

проведение реакций между шлаком и металлом, что благопри-

ятствует таким металлургическим процессам, как десульфура-

ция и удаление неметаллических включений из стали. При этом

в отличие, например, от

циркуляционного вакууматора, высо-

кая чистота металла может быть уже достигнута в ходе одного

технологического этапа (табл.3.8).

Таблица 3.8. Сравнительная характеристика возможности

рафинирования стали при вакуумировании [132]

Удаление элементов

Тип

вакууматора

Углерод Кислород Сера Азот Водород

Камерный

+ + + + +

Циркуляционный

+ + - ± +

Комплексный анализ всех аспектов вакуумной обработки

расплава в условиях мини-завода показывает, что способ камер-

ного вакуумирования имеет более широкие технологические воз-

можности рафинирования стали под вакуумом, простую конст-

рукцию и требует меньших капитальных затрат [291]. Кроме то-

262 Металлургические мини-заводы

го, объем работ по обслуживанию камерного вакууматора мини-

мален, а процесс обработки достаточно надежно контролируем и

управляем. Оборудование камерного вакууматора не контактиру-

ет с жидкой сталью, не требует специальных огнеупоров для фу-

теровки, нет необходимости в ее предварительном подогреве, на

показатели процесса не влияет периодичность и темп работы.

В состав камерной

установки для вакуумирования стали в

ковше входит: высокопроизводительный пароэжекторный ваку-

умный насос, вакуумкамера с крышкой, вакуумпровод.

Технические параметры пароэжекторного вакуумного на-

соса ПЭВН 500×0,5 представлены ниже:

• рабочее давление на входе в основной насос, мм рт.ст. 0,5;

• давление (абс.) на выходе из насоса, мм рт.ст. 830;

• производительность насоса по сухому воздуху

с t=20°С при рабочем давлении на входе, кг/ч 500;

• продолжительность откачки вакуумкамеры и вакуумпровода

от атмосферного давления до рабочего, мин 6.

Вакуумная камера состоит из двух основных частей: соб-

ственно камеры и крышки. Крышка установлена на транспортной

тележке и может вертикально перемещаться с помощью гидро-

привода.

Основные

элементы вакуумкамеры: корпус вакуумкамеры

с уплотнительным каналом; стенд с направляющими для уста-

новки ковша; отверстие-мембрана с термодатчиком для аварий-

ного слива стали; соединительный патрубок вакуумпровода с ка-

мерой; система подачи аргона и азота для разгерметизации.

Крышка с тележкой вакуумкамеры размещает следующие

устройства: защитный тепловой экран с элементами подвода и

отвода

охлаждающей воды; систему телевизионного контроля

процесса вакуумной обработки; устройство отбора проб и замера

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 263

температуры; фурму для продувки стали кислородом (при необ-

ходимости); шлюзовые устройства для ввода легирующих доба-

вок. Во избежание выплесков шлака и металла из ковша во время

обработки свободный борт ковша увеличивают на 0,6-1 м.

Опыт работы ряда отечественных и зарубежных металлур-

гических заводов доказал высокую эффективность применения

одно- и двухкамерных вакууматоров для

внепечной обработки

стали [243, 292].

В зависимости от решаемых задач технологические вари-

анты ковшевого вакуумирования позволяют эффективно рафини-

ровать расплав на любой стадии внепечной обработки.

Вакуумирование нераскисленной стали позволяет наиболее

полно реализовать общеизвестные преимущества углерода как

раскислителя. Благодаря вакууму равновесие реакции взаимодей-

ствия растворенных в стали углерода и кислорода сдвигается в

сторону

образования газообразных продуктов, что позволяет до-

полнительно раскислить сталь углеродом и уменьшить количест-

во оксидных включений, образующихся в ходе окончательного

глубинного раскисления металла. Однако, в промышленных ва-

куумных установках равновесие между углеродом и кислородом,

растворенными в стали, не достигается. Основные причины этого

явления заключаются в следующем:

• при исключительно малых концентрациях взаимодейст-

вующих веществ, скорость химической реакции уменьша-

ется настолько, что не позволяет за время обработки даже

приблизиться к состоянию термодинамического равнове-

сия;

• практика промышленного вакуумирования показывает, что

даже небольшое количество

FeO в рафинировочном шлаке

264 Металлургические мини-заводы

(до 1%) в значительной степени способствует тому, что

равновесие реакции не достигается.

Так, при давлении в 100–200 Па расчетное произведение

равновесных концентраций углерода и кислорода составляет

около 2,5 – 5,9×10

-6

, однако, ход реакции обезуглероживания

(раскисления углеродом) прекращается вблизи равновесной кри-

вой, соответствующей Р = 1 - 10 кПа, т. е. реальная остаточная

концентрация углерода и кислорода в стали после вакуумирова-

ния на несколько порядков выше равновесной, рассчитанной в

тонком приповерхностном слое металла в ковше. Поэтому возни-

кает задача обеспечения за счет раскисления углеродом под

ва-

куумом максимально возможного снижения концентрации ки-

слорода в стали, величина которого позволяет избежать образо-

вания в металле жидких или твердых продуктов раскисления по-

сле ввода добавок.

Кроме того, многочисленными исследованиями установле-

на прямая связь содержания

(% FeO) перед вакуумированием, а

также концентрации кислорода до и после вакуумирования с ве-

личиной среднего балла оксидов и конечной концентрацией ки-

слорода в стали [293].

В связи с этим для обеспечения высокой степени реализа-

ции раскислительной способности углерода в условиях вакуума

необходимо:

• применять основную футеровку сталеразливочных ковшей,

в состав которой входят трудновосстановимые оксиды;

• поддерживать высокую основность шлака и минимальное

содержание оксидов железа в нем;

• перемешивать расплав в ковше инертным газом для облег-

чения условий зарождения продуктов реакции окисления

углерода.

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 265

Как показывает практика, при содержании углерода в ста-

ли около 0,50 % за счет вакуумно-углеродного раскисления кон-

центрацию кислорода в металле удается понижать до 0,002 -

0,003 %, что ниже равновесной с содержанием кремния, но выше

равновесной с растворенным в металле алюминием. Поэтому при

вводе кремния в металл после вакуумно-углеродного раскисле-

ния первичные эндогенные

включения не образуются. За счет

снижения содержания растворенного в стали кислорода путем

раскисления углеродом под вакуумом последующее осаждающее

раскисление протекает с минимальным угаром раскислителей.

Такой способ обработки рекомендуется для производства сво-

бодной от крупных оксидных включений и их локальных скопле-

ний особо чистой стали.

Для предотвращения чрезмерно бурного развития под ва

куумом реакции окисления углерода проводят частичное раскис-

ление стали путем повышения в ней содержания кремния и (или)

алюминия. Благодаря перемешиванию металла и применению

сравнительно небольшого количества раскислителей, возможно

достижение такой же высокой степени чистоты стали по оксид-

ным включениям, как и при вакуумировании стали в нераскис-

ленном виде.

При обработке

частично раскисленной стали (0,15 %

Si и

0,005%

Аl) реакция окисления углерода начинается при давлении

30 – 50 кПа. Дальнейшее снижение давления до 100 - 200 Па по-

зволяет постепенно увеличить интенсивность кипения, которое

достигает своего наибольшего значения и поддерживается в те-

чение некоторого времени на определенном регулируемом уров-

не. Затем наступает постепенное затухание процесса кипения.

Механизм процесса при ковшевом вакуумировании сво-

дится к следующему

. Дополнительное (к продувке аргоном) ин-

266 Металлургические мини-заводы

тенсивное выделение из глубинных слоев металла пузырей окси-

дов углерода, образующихся в результате смещения равновесия

между растворенными углеродом и кислородом при понижении

давления, создает мощные турбулентные потоки, охватывающие

весь объем металла. При таком характере кипения шлак уносится

в глубь ковша и дробится, значительно увеличивая межфазную

поверхность, что обеспечивает дополнительное возрастание ско

рости потока кислорода из шлака в металл. Это способствует

дальнейшему развитию реакции окисления углерода и значи-

тельному увеличению объема выделяющегося оксида углерода.

Интенсивное кипение ванны создает необходимые кинетические

условия для протекания реакции взаимодействия углерода с ки-

слородом и выделения растворенного водорода и азота.

В зависимости от количества окисляемого углерода, доли

оксидов железа в покровном шлаке можно получить заданное со-

держание кислорода в металле. В течение всего периода дегаза-

ции проводится наблюдение за поведением металла под крышкой

вакуумной камеры. Скорость набора вакуума регулируется в за-

висимости от интенсивности кипения. В отдельных случаях, для

предотвращения чрезмерно бурного вскипания расплава и пере-

лива его

через край ковша, в вакуумную камеру производится

напуск нейтрального газа. При перемешивании расплава инерт-

ным газом его расход по мере снижения давления в вакуумной

камере необходимо понижать, чтобы исключить чрезмерно бур-

ную продувку. Вакуумная обработка частично раскисленного ме-

талла заканчивается тогда, когда кипение металла при достигну-

том конечном давлении затухает.

На основании практических данных АО «НКМЗ», сниже-

ние температуры металла в ковше массой 100 т при вакуумной

обработке составляет от 70 до 80 °С, а собственно вакуумная об-

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 267

работка частично раскисленной стали (глубокий вакуум) про-

должается 15 - 20 мин.

По окончании вакуумирования проводится отключение на-

сосов и в течение 1 - 2 мин в вакуумную камеру напускается ней-

тральный газ или в начале нейтральный газ, а затем воздух.

Газообразные продукты реакции увеличивают объем и

площадь поверхности пузырей аргона и при прочих равных усло-

виях

облегчают экстракцию растворенного в металле водорода и

азота, поэтому дегазация при вакуумировании нераскисленной и

полураскисленной стали проходит быстрее и полнее, чем в слу-

чае полностью раскисленной.

Вместе с тем, способ вакуумирования нераскисленной и

полураскисленной стали не гарантирует получение низкого со-

держания газов в готовой продукции в силу ряда причин, одна

из

которых заключается в том, что, после окончания вакуумной об-

работки, как правило, требуется проведение нагрева, перемеши-

вания, легирования, раскисления, науглероживания и десульфу-

рации.

С другой стороны, при обработке расплавов промышлен-

ной чистоты эффективность удаления азота обычно не превыша-

ет 15 – 30 %. При этом анализ влияния состава металла на ре-

зультаты обработки дает

основания полагать, что уменьшение

эффективности дегазации непосредственно связано с наличием в

расплаве поверхностно-активных веществ. Этот факт подтвер-

ждается рядом исследований, на основании которых, например,

установлена тесная зависимость между концентрацией азота и

серы в стали по окончании обработки. Так, при уменьшении кон-

центрации серы в стали с 0,010 до 0,003 % за счет

десульфурации

металла рафинировочным шлаком в ходе вакуумной обработки

содержание азота (начальная концентрация

[N]=0,0050 %) снижа-

268 Металлургические мини-заводы

ется на 12 и 18 % соответственно. При этом эффективность деа-

зотации стали существенно увеличивается, когда остаточное со-

держание серы в металле составляет не более 0,003%. В послед-

нем случае происходит стабильное удаление азота с 110 до 70

ррм при обычном вакуумировании в течение 10 мин и даже до 40

ррм в случае продолжительного вакуумирования [290].

Таким образом, если главной

задачей вакуумирования яв-

ляется удаление из металла газов (водорода и азота), то следует

стремиться к получению в расплаве минимального содержания

поверхностно-активных примесей. Таким требованиям соответ-

ствует глубоко раскисленная сталь на конечной стадии ковшевой

обработки.

Для получения низкого содержания водорода и азота ши-

роко применяют технологию вакуумирования раскисленной ста-

ли

непосредственно перед разливкой, которая может сочетаться с

экстракционным удалением серы путем параллельной с вакууми-

рованием обработкой рафинировочным шлаком.

Для обеспечения достаточной площади поверхности разде-

ла взаимодействующих фаз вакуумную обработку раскисленной

стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. Уста-

новлено, что заметное увеличение скорости массообменных про-

цессов наблюдается при повышении величины удельной

мощно-

сти перемешивания металла до уровня 200 - 300 Вт/т [245]. Сле-

дует отметить, что при атмосферном давлении такая величина

мощности перемешивания практически недостижима.

Результаты оценки зависимости мощности перемешивания

от расхода вдуваемого газа и давления в вакуумкамере представ-

лены на рис. 3.9. Из представленных данных следует, что под ва-

куумом достижим принципиально новый количественный

ре-

зультат пневматического перемешивания металла, так как вели-

чина мощности перемешивания при снижении давления до прак-

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 269

тически достижимых в вакуумной камере значений увеличивает-

ся в четыре-пять раз.

100

150

200

250

0,0010,010,11

Величина давления в вакуумкамере, атм

Удельная мощность

перемешивания, Вт/т

VG = 0,2 кб.м/мин

VG = 0,25 кб.м/мин

Рис. 3.9. Оценка эффективности перемешивания инертным

газом раскисленной стали в ковше под вакуумом

Величина расхода аргона, необходимого для дегазации

стали, быстро уменьшается при понижении давления над поверх-

ностью расплава. В связи с этим сочетание продувки стали

инертным газом и вакуумной обработки является весьма эффек-

тивным средством дегазации металла. Так, согласно теоретиче

ским расчетам, для получения в стали остаточного содержания

водорода ниже 1,5 ррm под атмосферным давлением необходимо

ввести в 100-тонный сталеразливочный ковш не менее 700 м

ар-

гона. При продувке инертным газом под вакуумом (0,01 и 0,001

атм.) количество газа значительно снижается и составляет 14 и 8

соответственно.

270 Металлургические мини-заводы

В связи с этим продувка стали аргоном в сталеразливочном

ковше под вакуумом всегда сопровождается существенной дега-

зацией металла.

Известно, что вакуумированный металл в сравнении с не-

вакуумированным при равном содержании серы имеет более вы-

сокую долю сульфидных включений. Это объясняется, прежде

всего, более низким содержанием оксидных включений в вакуу-

мированной стали

, в результате чего сульфидные включения в

меньшей степени откладываются на оксидах и выделяются в от-

дельную фазу в более грубой форме. Проблема сульфидных

включений в вакуумируемой стали решается тем, что в металле

необходимо иметь достаточно низкую концентрацию серы.

Для процесса десульфурации, который протекает в диффу-

зионной области, скорость взаимодействия ограничена

массоопе-

редачей веществ в объеме металла или шлака. На основании вы-

шеизложенного следует, что самой «медленной» технологиче-

ской операцией, которая ограничивает производительность уча-

стка внепечной обработки, как правило, является процесс де-

сульфурации стали. Действительно, при скорости десульфурации,

3-5 ppm/мин (для стали с начальным содержанием серы около

0,025 %) десульфурация на 0,015 - 0,020 % занимает примерно

- 60 мин. Учитывая, что максимальная скорость нагрева металла

составляет около 4 °С/мин, за время десульфурации при работе с

включенным трансформатором можно повысить температуру

стали в ковше на 160 - 240 °С. То есть, вполне очевидна диспро-

порция для установки «ковш-печь» между скоростью нагрева ме-

талла и десульфурации.

На практике нагрев металла в

течение цикла обработки на

установке «ковш-печь» (30-35 мин) гарантированно обеспечивает

получение заданного перегрева расплава. Дальнейшее нахожде-