V, VI, VIII групп 0,88 0,75 0,61

В мартеновских цехах небольшой производительности устанавливаются горизонтальные МНЛЗ. Проектируется установка в ряде цехов криволинейных МНЛЗ с вертикальным кристаллизатором, наклонно-радиальные и роторные МНЛЗ.

Современные машины непрерывной разливки стали представляют собой системы, обеспечивающие получение из жидкой стали готовой литой заготовки, которая может, как правило, непосредственно направляться в прокатные станы, минуя блюминги или слябинги. При использовании МНЛЗ сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор. В кристаллизаторе образуется оболочка (корочка затвердевшего металла), заполненная жидкой сталью по форме и сечению, соответствующему параметрам готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы – тянущей клети поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит полное затвердевание заготовок. Затвердевший слиток – непрерывно-литая заготовка - подвергается порезке на мерные длины и готовые заготовки с помощью рольганга или других транспортных устройств транспортируются в прокатный цех или на склад.

При подготовке МНЛЗ к разливке в каждом кристаллизаторе с помощью специального устройства, так называемой затравки, устраивается сплошное дно. Верхний конец затравки, имеющий пазы, вводится в кристаллизатор, ее противоположный конец находится в зацеплении с тянущим устройством. По мере наполнения кристаллизатора металл затекает в пазы и, быстро затвердевая, образует прочное сцепление с затравкой. Затем включается тянущее устройство и частично затвердевший металл – твердая оболочка с жидкой сердцевиной вытягивается в зону вторичного охлаждения.

Для образования прочной оболочки – корки металла стенки кристаллизатора изготавливаются из материала, обладающего высокой тепло - и температуропроводностью, и интенсивно охлаждаются водой. Для уменьшения трения между затвердевшей корочкой (оболочкой) металла и стенками кристаллизатора, предотвращения смачивания стенок кристаллизатора жидкой сталью и создания нейтральной или восстановительной атмосферы, на поверхность металла в кристаллизаторе вводят твердую или жидкую смазку в виде различных масел, углеводородов или экзотермических, или теплоизолирующих шлаковых смесей. Наряду с этим для предотвращения разрыва оболочки и прилипания затвердевшей корочки металла к стенкам кристаллизатора последний совершает возвратно-поступательное движение (качание) с помощью специальных механизмов.

Из кристаллизатора, как указывалось выше, частично затвердевший слиток вытягивается в зону вторичного охлаждения, которая состоит из опорных элементов и устройств, обеспечивающих охлаждение непрерывной заготовки. Одновременно опорные элементы должны предотвращать деформацию оболочки слитка и искажение ее формы под действием ферростатического давления. Охлаждение заготовки осуществляется обычно орошением поверхности слитка водой, расход которой зависит от разливаемой марки стали и скорости вытягивания слитка.

После того как полностью затвердевший слиток в месте соединения с затравкой выходит из тянущего устройства, затравка отсоединяется от слитка и убирается специальным механизмом, а слиток поступает в устройство для резки. По окончании разливки остатки слитка выводятся из машины, убирается промежуточный ковш, поводятся контроль и настройка действия механизмов и системы охлаждения, затем вновь вводится затравка.

Таким образом, в целом современная МНЛЗ состоит из следующих элементов и узлов: сталеразливочного стенда; промежуточного ковша; тележки или стенда для промежуточного ковша; кристаллизатора; механизма возвратно-поступательного движения кристаллизатора; опорных элементов и устройств зоны вторичного охлаждения; устройства для транспортировки слитка; затравки; механизма для ввода и уборки затравки; устройств для резки непрерывно-литого слитка на заготовки мерной длины; устройства для уборки и транспортировки заготовок к прокатному цеху или в отделение отделки заготовок; устройства для подачи твердой или жидкой смазки; оборудования для подачи воды в кристаллизатор; зону вторичного охлаждения и на охлаждение элементов МНЛЗ; электрооборудования; средств контроля и автоматизации.

Начало промышленного применения непрерывного литья положили машины вертикального типа, у которых кристаллизатор, роликовая проводка, тянущее и режущее устройства расположены по вертикали на высоту 23…35 м, а в ряде случаев и до 43 м. Машины вертикального типа позволяют получать слитки высокого качества, однако их широкому использованию препятствуют присущие им крупные недостатки – большая высота и низкая скорость литья. С целью уменьшения высоты здания и возможности подачи сталеразливочных ковшей к рабочей площадке вертикальные МНЛЗ выполняют с расположением концевой части машины в железобетонном колодце. Помимо удорожания строительства, это приводит к необходимости применения сложных систем выдачи заготовок из колодца. Повышение скорости литья путем увеличения длины зоны затвердевания слитка на вертикальных машинах не может быть реализовано, так как с увеличением высоты возникает большое ферростатическое давление, приводящее к выпучиванию корки слитка и ее разрушению с прорывом наружу жидкой фазы.

Лекция № 9. Машины полунепрерывного литья. Литейно-прокатные комплексы. Состояние и перспективы развития. Особенности расчетов и расчеты кристаллизатора и др. частей. Кристаллизатор. Вторичное охлаждение. Тянущие устройства. Система охлаждения непрерывного слитка. Технико-экономические показатели.

Общая схема компоновки. Как было отмечено, МНЛЗ любого типа представляет собой комплекс самых разнообразных устройств, выполняющих строго определенные функции. Все эти устройства, тесно связанные работой друг с другом, должны располагаться в определенной технологической последовательности. При этом их компоновка должна обеспечивать ряд общих требований, главными из которых являются следующие:

1) стабильное положение технологической оси машины в процессе достаточно длительного периода непрерывной работы;

2) независимое функционирование всех этих устройств путем индивидуального подвода электроэнергии, воды, смазки и др.;

3) точную синхронизацию работы всех ее элементов;

4) максимально возможную скорость замены отдельных узлов или устройств целиком в случае аварийного выхода их из строя;

5) переналадку всей машины на отливку слитка другого сечения без замены ее составных элементов;

6) высокий уровень механизации и автоматизации обслуживания и управления;

7) требования охраны труда и защиты окружающей среды.

Обеспечение стабильности положения технологической оси МНЛЗ любого типа достигается определенной схемой компоновки ее основных узлов. Машина устанавливается на индивидуальном монолитном железобетонном фундаменте, располагаемом отдельно от любых строительных конструкций здания и его оборудования. Это позволяет не только сохранять в течение многих лет стабильность технологической оси, но и предотвращает получение любых дополнительных воздействий (обычно в виде вибраций) на ее положение в процессе эксплуатации от другого оборудования, действующего в цехе. На фундаменте с помощью анкерных соединений закрепляются опорные металлоконструкции, которые в зависимости от расстояний между ними, места расположения по линии машины и нагрузок и других факторов могут быть различными – от стоек различной конфигурации до литых или сварных фундаментных балок. Во избежание тепловых деформаций балки делаются определенной длины и закрепляются своими концами в шарнирных опорах, из которых одна является плавающей, а другая фиксированной. В результате перемещения балок происходит тангенциально положению технологической оси. Схема опор позволяет также компенсировать деформации рам, возникающие под действием общих усилий вытягивания, приложенных к слитку, реакция которых передается на все поддерживающие конструкции. На балках с помощью быстроразъемных соединений монтируются все технологические элементы и узлы машины, непосредственно связанные с формированием, охлаждением, поддержкой и вытягиванием непрерывного слитка.

Кристаллизаторы. В технологическом процессе непрерывного литья стали кристаллизатору отведена одна из самых основных функций - формирование слитка требуемого сечения, то есть в любой МНЛЗ кристаллизатор выполняет функции первичного холодильника, отводящего до 30 % теплоты расплава, и формообразователя, обеспечивающего заданную форму поперечного сечения непрерывной заготовки. По принципу работы - это теплообменник, основной задачей которого является создание необходимых условий для интенсивного отвода теплоты от жидкого металла. В результате по его периметру происходит непрерывное формирование внешней оболочки – корочки будущего слитка. Обязательным условием эффективной работы кристаллизатора является обеспечение на выходе из него оболочки с прочностью, превышающей ферростатическое давление находящегося в ней жидкого металла и усилий вытягивания.

В технологическом процессе непрерывного литья стали кристаллизатору отведена одна из самых основных функций - формирование слитка требуемого сечения.

В настоящее время наиболее полно удовлетворяют всем предъявляемым требованиям кристаллизаторы со стенками, выполненными из металлов с высокой теплопроводностью, то есть из меди и ее сплавов, но с покрытием рабочих поверхностей другими материалами, более износоустойчивыми и термостойкими и не оказывающими вредных воздействий на поверхность стального слитка. Нанесение этих материалов на рабочие поверхности стенок может осуществляться самыми различными способами: гальваническим, напылением, наплавкой, термодиффузионным насыщением поверхностного слоя, плакированием меди листовым материалом. Наибольшее распространение получил гальванический метод покрытия.

Хромирование позволяет значительно поднять твердость рабочих поверхностей стенок кристаллизаторов, что способствует повышению их износоустойчивости.

Никелевое покрытие дает хорошее сцепление с медью, но имеет значительно более низкую износостойкость. Обычно никель наносят более толстым слоем. В некоторых случаях покрытие выполняют переменным по высоте кристаллизатора – более тонким в районе мениска и толще в нижней части стенки.

К основным конструктивным параметрам кристаллизатора относятся внутренние размеры по сечению, определяющие профиль слитка, высоту, толщину и материал рабочих стен, их конусность, система охлаждения и система регулирования размеров.

Понятно, что кристаллизатор представляет собой сквозную водоохлаждаемую изложницу с медными полыми стенками. Для повышения жесткости и прочности такая изложница устанавливается в стальном литом или сварном корпусе. Однако, несмотря на общие принципы устройства и работы, существует очень большое количество самых разнообразных конструкций кристаллизаторов.

В настоящее время все конструкции кристаллизаторов по способу изготовления и области применения можно объединить в тир большие группы: блочные, гильзовые и сборные. Все они в зависимости от формы технологической оси МНЛЗ могут быть прямолинейными и радиальными.

Блочные кристаллизаторы изготавливаются из цельнокованных или литых медных блоков с толщиной стенок 150…175 мм. В стенках просверлены отверстия, по которым проходит вода для охлаждения. Число отверстий, их диаметр и расстояние между ними определяются условиями теплоотвода. Обычно диаметр отверстий составляет 20…22 мм с шагом 40…60 мм. Готовый медный блок крепится для повышения прочности в стальном корпусе (рис.9.1.). Кристаллизаторы такого типа характеризуются сравнительной долговечностью, отсутствие стыков между стенками обеспечивает достаточно высокую надежность их в работе. В то же время они дороги в изготовлении и в процессе эксплуатации.

Сборные кристаллизаторы изготовляются из четырех отдельных медных плит, каждая из которых для большей жесткости крепится шпильками на отдельной стальной плите. В зависимости от толщины плит кристаллизаторы делятся на тонко- (15…25 мм) и толстостенные (50…100 мм). Собранные все вместе и стянутые по боковым граням болтами они образуют изложницу с медной рабочей поверхностью, расположенную в стальном корпусе. Для снятия температурных напряжений в плитах, вызывающих их деформации, и для предотвращения образования зазоров между стенками плит стягивающие болты снабжены пружинными компенсаторами.

Такие кристаллизаторы широко применяются для отливки прямоугольных листовых заготовок – слябов и крупных блюмов, так как высокая жесткость стен позволяет выдерживать без деформации очень большое ферростатическое давление.

Характерной особенностью сборного кристаллизатора является возможность изменения ширины отливаемой заготовки. Это достигается перемещением узких стен, вставленных между широкими, с помощью различных механических или электромеханических приводов.

Как и во всех сборных кристаллизаторах каждая стенка состоит из медной плиты и прикрепленного к ней литого стального корпуса. Базовой является стенка, расположенная на стороне большего радиуса машины. Базовая стенка сборная и состоит из собственно широкой стенки 1 и прикрепленных к ней с двух сторон боковых стенок (боковин) 4, образующих в плане букву П. К боковинам подвешены узкие стенки 2 и прикреплена подвижная широкая стенка 6 малого радиуса. С помощью стяжек 3 узкие стены зажимаются между широкими стенами. Перестройка кристаллизатора по ширине производится электромеханическим механизмом 5, расположенным на внешних сторонах боковин. При этом обеспечивается как перемещение узких стен, так и изменение их конусности.

Для обеспечения свободного перемещения узких стен перед началом перестройки снимается усилие их зажима. С этой целью подвижно широкая стенка оттягивается с помощью гидроцилиндра, установленного на раме 8 механизма качания.

В стальных корпусах широких стен размещены коллекторы 7 для подвода и отвода воды, охлаждающей медные стенки.

Такая конструкция кристаллизатора позволяет, оперативно меняя конусность, снизить износ рабочих стенок и улучшить качество слитка. Кроме того, снижается парк кристаллизаторов и увеличивается производительность за счет снижения простоев машины.

Длина сборных кристаллизаторов колеблется в широких пределах от 650 до 1200 мм. За рубежом при скорости разливки до 1 м/мин получили наиболее широкое распространение короткие кристаллизаторы, длина которых 650…800 мм. При увеличении скоростей разливки до 1,2…1,8 м/мин короткие кристаллизаторы стали причиной повышенной аварийности из-за возросшего числа прорывов. Поэтому при скоростях > 1,2 м/мин рекомендуется применять кристаллизаторы длиной ³ 900 мм.

В практике металлургических предприятий СНГ наиболее стабильные режимы разливки получены на кристаллизаторах длиной 1200 мм. Кроме того, удлиненный кристаллизатор позволяет менять промежуточные ковши без снижения скоростей разливки при отливке металла методом « плавка на плавку».

При выходе заготовки из кристаллизатора ее оболочка без поддержки извне не в состоянии выдержать ферростатическое давление жидкой фазы. Поэтому на всей длине технологической линии МНЛЗ необходимы поддерживающие устройства по широким граням заготовки. Элементы поддерживающих устройств, соприкасающиеся с поверхностью заготовки, должны располагаться на определенном расстоянии друг от друга, исходя из допустимых величин выпучивания корочки оболочки от ферростатического давления.

Основной технологической функцией зоны вторичного охлаждения (ЗВО) является создание оптимальных условий ля полного затвердевания непрерывно отливаемого слитка, обеспечивающих требуемое качество металла.

Протяженность жидкой фазы в слитке на современных машинах непрерывной разливки в зависимости от сечения заготовки и скорости литья составляет 15 - 40 м. На всем этом участке одновременно с затвердеванием металла происходит воздействие на него, кроме ферростатического давления, многочисленных силовых факторов, приводящих к различным напряжениям в слитке. Основными из них являются: термические напряжения, зависящие от условий охлаждения; растягивающие напряжения, определяемые трением и усилиями вытягивания; напряжения, как отмечено выше, возникающие под действием ферростатического давления жидкого расплава, которые вызывают выпучивание корочки слитка. Значительное влияние оказывает сама форма технологической оси ЗВО, в соответствии с которой слиток подвергается воздействию различного рода усилий при его разгибе, загибе или правке.

Исходя из этого конструкция ЗВО должна отвечать следующим требованиям:

- обеспечивать тщательную поддержку слитка на выходе из кристаллизатора, где толщина оболочки минимальна, а ее механическая прочность весьма низка;

- исключать возможность выпучивания корочки слитка под действием ферростатического давления;

- уменьшать воздействие растягивающих напряжений в оболочке заготовки, возникающих под воздействием тянущих усилий;

- обеспечивать оптимальный теплоотвод и его регулирование в зависимости от скорости вытягивания и сортамента отливаемой стали;

- сохранять стабильность технологической оси и прочностные характеристики поддерживающих устройств в условиях высоких температур и нагрузок в процессе долговременной эксплуатации машины;

- обеспечивать быструю замену узлов зоны вторичного охлаждения при аварийных ситуациях, а также минимальные потери времени на переналадку, необходимую при изменении сечения отливаемой заготовки.

Основной технологической функцией зоны вторичного охлаждения (ЗВО) является создание оптимальных условий ля полного затвердевания непрерывно отливаемого слитка, обеспечивающих требуемое качество металла.

Протяженность ЗВО определяется скоростью вытягивания и размером сечения отливаемого слитка.

Протяженность собственно жидкой фазы непрерывного слитка L_жможно определить из выражения

L_ж = t × w , (9.1)

где t - полное время затвердевания; w - скорость вытягивания слитка.

В связи с возможными колебаниями времени затвердевания слитка протяженность жидкой фазы увеличивается

L_ж = t × w × r , (9.2)

где r - коэффициент, учитывающий возможное увеличение времени затвердевания [для сортовых заготовок r = 1,25; для прямоугольных заготовок с большим отношением сторон (слябов) r = 1,1 ].

Время затвердевания слитка с достаточной для практики точностью можно определить из выражения

τ= ( а / 2k ) , (9.3)

где а - толщина заготовки; k - коэффициент затвердевания (для сортовой заготовки k = 28…30 мм /мин^0,5, а для слябовой k = 24…26 мм/мин^0,5 ).

Протяженность всей ЗВО может быть определена как

L_зво = L_ж × r - H , (9.4)

где H - активная длина кристаллизатора.

Лекция №10. Агрегаты и установки для внепечной обработки металлов. Роль внепечной обработки металлов. Перемешивание металла и устройства для перемешивания. Обработка металла шлаками и устройства для обработки. Вакуумная обработка, вакуумирование струй и установки для вакуумирования.

Внепечное вакуумирование с начала своего применения являлось и является одним из наиболее эффективных способов улучшения качества сталей ответственного назначения. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, непосредственно в самом агрегате связано с потерей его производительности и недостаточно эффективно, операции переносят в ковш или во вспомогательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафинированием). Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

В настоящее время методами внепечной металлургии обрабатывают сотни миллионов тонн стали массового назначения, установки для внепечной обработки имеются на всех заводах качественной металлургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых электропечах и конвертерах.

Приоритетными способами внепечной обработки стали являются процессы порционного и циркуляционного вакуумирования, известных в металлургии как процессы DН и RН. Общим для них является вакуумирование в специальных камерах сравнительно небольших количеств металла вне ковша. Однако принцип заполнения металлом вакуумных камер и их устройство у обоих процессов различны.

Методы внепечной обработки могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими способами одновременно). К простым методам относятся:

1) обработка металла вакуумом;

2)продувка инертным газом;

3) обработка металла синтетическим шлаком в ковше;

4) введение реагентов в глубь металла;

5) продувка порошкообразными материалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются:

1) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;

2)ограниченность воздействия на металл (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, осуществляется ряд операций. Для их осуществления оказывается необходимым усложнять конструкцию ковша и использовать более сложное оборудование.

При решении вопроса о выборе необходимого оборудования определяющим является выбор той или иной технологии обработки металла. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом технологи­ческие приемы немногочисленны и по существу сводятся к интенсификации следующих процессов:

1. Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами интенсивное перемешивание специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу металла, электромагнитное перемешивание и т.п.).

2. Газовыделения (обработка металла вакуумом или про­дувка инертным газом).

3. Взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей оптимального состава; введение реагентов в глубь металла в виде порошков, блоков, специальной проволоки; с использованием патронов, выстреливаемых в глубь металла; искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продуктов раскисления и т.д.; организация тем или иным способом перемешиивания ванны, интенсификация процессов массопереноса — обязательное условие эффективности процесса).

Внепечная обработка металла комбинированными методами может производиться: 1) в обычном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором; 2) в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высокоогнеупорных материалов и стопором шиберного типа; 3) в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой; 4) в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газо-порошковой струи снизу, через смонтированные в днище устройства; 5) в агрегате-ковше с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки; 6) в агрегате типа конвертера, с продувкой металла кислородом, аргоном, паром; 7) в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для вакуумирования расплава и т.д.

В настоящее время в промышленно развитых странах успешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Самым простым способом является способ вакуумирования в ковше.

Схемы наиболее распространённых простейших конструкций вакууматоров представлены на ниже приведённой схеме. Самыми эффективными и распространенными являются устройства порционного и циркуляционного вакуумирования.

Технологические основы внепечного рафинирования. Обработка металла вакуумом влияет, как известно, на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО) и процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

В стали практически всегда содержится определенное ко­личество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = СО_газ. При обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений:

Более слабые включения, такие например, как МnО или Сr₂О₃, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, таких, например, как А1₂О₃ или TiO₂, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концентрации кислорода в металле ("окисленности" металла) при обработке вакуумом за счет реакции окислениия углерода получило название "углеродное раскисление".

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в металле определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе. При снижении давления над расплавом равновесие реакции Н_2газ сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик, и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Требуются более глубокий вакуум и продолжительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают металл и сами являются маленькими "вакуумными камерами", так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водорода и азота равны нулю. Таким образом, при обработке металла вакуумом нем уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков металл перемешивается, становится однородным, происходит "гомогенизация" расплава.

Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется.

Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень интенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти потери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка металла инертными газами в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу металла пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек представляет собой маленькую "вакуумную камеру", так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава; в тех случаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация металла. Когда хотят получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, особо качественную нержавеющую сталь), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции О₂ + 2[С] = 2СО_газ сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и парциальное давление р_со уменьшится. Масса пузырьков инертного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой поверхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор, заменяет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку металла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное перемешивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке металла инертными газами достигают: 1)энергичного перемешивания расплава, облегчения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей; 2) усреднения состава металла; 3) уменьшения содержания газов в металле; 4) облегчения условий протекания реакции окисления углерода; 5) снижения температуры металла.

Перемешивание металла со специально приготовленным ("синтетическим") шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности. Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно приготовляемого ("синтетического") шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят А1₂О₃ или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставится задача очистки металла от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть и окислитель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдувают в струе аргона смесь извести и плавикового шпата. Плавиковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в металл (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, магний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Ускоренная или направленная кристаллизация металла имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Скорость кристаллизации слитка пропорциональна разности температур у фронта кристаллизации и на поверхности слитка. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных условиях развиваются ликвационные и другие неприятные явления. Искусственное охлаждение слитков (применяемое, например, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Регулируя время пребывания металла в жидком состоянии в изложнице или кристаллизаторе и интенсивность охлаждения металла, можно обеспечить получение такого слитка, у которого вообще не будет центральной менее плотной и более обогащенной ликватами зоны беспорядочно ориентированных кристаллов.

Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) пользуются водой.

Эти общие положения на практике реализуют в результате использования того или иного способа и агрегата из большого многообразия их.

Лекция № 11. Установки порционного и циркуляционного вакуумирования, Установка для нагрева металла в ковше с одновременным вакуумированием. Установка «печь-ковш». Другие установки и устройства. Особенности расчетов устройств и установок внепечной обработки металлов.

Существующие способы внепечного рафинирования по типу рафинирующих средств основаны на использовании одного или одновременно нескольких технологических приемов:

- обработки металла вакуумом;

- продувки металла инертными газами;

- вдувании порошкообразных материалов;

- перемешивании металла со специально приготовленными шлаками и лигатурой.

При выборе конкретной технологии внепечной обработки необходимо учитывать ряд дополнительных условий: какие примеси и до каких пределов нужно удалять, соответствует ли данная схема внепечного рафинирования режиму работы цеха и т.д.

Чаще различные виды внепечной обработки сочетаются, чем достигается сокращение времени обработки и увеличение ее эффективности.

Идея использования вакуума для обработки металла возникла в 1883 году, т.е. вскоре после появления конвертерного и мартеновского способов производства стали. Первые опыты промышленного использования вакуума, проведенные в 1914 и 1932 гг., не дали желаемых результатов вследствие недостаточной мощности вакуумных насосов.

В 1946 году было начато опытно-промышленное опробование вакуумирование стали при переливе из ковша в ковш. В 1952…1953 гг. в Бохуме (ФРГ) освоена вакуумная обработка при отливке крупных слитков.

Вакуумную обработку металла применяют для решения следующих задач:

- удаление газа (кислород, водород, частично азот);

- очищение от неметаллических включений;

- понижение содержания углерода в металле;

- повышение механических свойств и пластических характеристик в стали.

Независимо от способа вакуумирования все оборудование, необходимое для проведения вакуумной обработки, всегда состоит из двух основных компонентов – вакуумных насосов, обеспечивающих требуемые разряжения в системе, и агрегатов, в которых непосредственно осуществляется технологический процесс вакуумирования.

Из всех известных агрегатов внепечного вакуумирования жидкой стали наиболее убедительно проверку временем прошли ковшевые (VD) и рециркуляционные вакууматоры. Рециркуляционное вакуумирование подразделяется на порционный и циркуляционный способы.

Циркуляционный вакууматор.Процесс циркуляционного вакуумирования заключается в обработке вакуумом металла, непрерывно текущего через вакуум-камеру по двум патрубкам, опущенным в ковш с расплавом. Для обеспечения непрерывного подъема металла в камеру в один из патрубков подается аргон, пузырьки которого в результате большой разницы плотностей, поднимаясь с высокой скоростью вверх по патрубку, увлекают за собой расплав, выполняя функции транспортирующего газа. В камере металл дегазируется и, становясь более плотным и тяжелым, сливается по второму патрубку в ковш (Рис 11.1).

Технологически этот процесс начинается с погружения обоих патрубков в расплав, находящийся в ковше, на глубину, предотвращающую подсосы воздуха и ковшевого шлака в камеру. Затем включается вакуум насос, и метал вследствие разности давлений между камерой и атмосферой поднимается по обоим патрубкам в камеру на барометрическую высоту. Одновременно в нижнюю часть всасывающего патрубка подается аргон, который, поднимаясь вверх и увеличиваясь постепенно в объеме, образует газометаллическую эмульсию с соотношением газа к металлу 10:1. Со скоростью более 5 м/с такая эмульсия врывается в камеру, образуя высокий бурун над всасывающим патрубком.

Наличие большого количества транспортирующего газа способствует созданию огромной дополнительной реакционной поверхности, интенсифицируя процесс дегазации металла. Этим объясняется то обстоятельство, что, несмотря на сравнительно небольшое время пребывания расплава в камере, обычно не превышающие нескольких секунд, металл поступает в сливной патрубок практически полностью дегазируемым. Из сливного патрубка дегазированный металл, попадая снова в ковш, смешивается с находящимся в нем расплавом, несколько разбавляя в нем содержание газов. Поэтому для более глубокой дегазации весь металл ковша необходимо пропустить через камеру не менее 2,5…5 раз в зависимости от степени раскисления.

В остальном циркуляционный вакууматор представляет собой такой же комплекс оборудования, как и порционный, отличаясь от него в основном лишь конструкцией вакуум-камеры и устройствами для окислительного рафинирования.

К числу важнейших достоинств циркуляционного способа вакуумирования следует отнести хорошее перемешивание металла в ковше, приводящее к улучшению структуры слитка, повышению чистоты и однородности стали, а также к выравниванию температуры, что имеет особое значение при разливке стали на машинах непрерывного литья.

Благодаря интенсивному движению металла в вакуумной камере и неоднократному перемешиванию его в ковше, создаются благоприятные условия для всплывания неметаллических включений, поэтому вакуумированная циркуляционным способом сталь отличается низким содержанием неметаллических включений.

В целом такие показатели, как степень дегазации, удаление неметаллических включений, однородность химического состава, достигнутые при циркуляционном способе, приблизительно соответствуют значениям, полученным при ковшевом вакуумировании. Однако развитая поверхность контакта металла с разряженной фазой, обусловленная фонтанированием металла в виде капель в разряженное пространство вакуум-камеры, и отсутствие шлака в зоне взаимодействия металла с вакуумом обеспечивают более высокую степень дегазации расплава при циркуляционном вакуумировании. Наличие значительного свободного пространства над поверхностью вакуумируемого металла в вакуум-камере позволяет существенно увеличить скорость набора вакуума, сократить время выхода на рабочий режим откачного оборудования и тем самым существенно повысить пропускную способность вакууматора.

Патрубки вакууматоров RH являются одним из наиболее ответственных узлов циркуляционного вакууматора, их стойкость в значительной степени определяет работоспособность вакууматора, а стоимость огнеупоров является одной из основных статей расходов на вакуумирование.

Однако следует учитывать, что в ковшевых вакууматорах футеровка ковшей, особенно в зоне шлакового пояса и донных пробок, подвержена интенсивному износу, а также и то, что шлак при циркуляционном вакуумировании обладает меньшей агрессивностью, так как неподвижен и находится в состоянии, близком к затвердеванию. Поэтому расходы на осуществление процесса RH сопоставимы с затратами на ковшевое вакуумирование, а преимущества, вытекающие из возможности присадки легирующих материалов непосредственно на металл в вакуум-камере, точной корректировки химического состава стали, а также меньшего времени полного цикла вакуумирования, делают циркуляционные вакууматоры более рентабельными.

Отличительной особенностью циркуляционного вакуумирования является вакуумная камера, которая имеет два патрубка, оба погруженные в металл. По одному из них с помощью транспортируемого газа (аргон) металл непрерывно засасывается в вакуумную камеру, а по другому вытекает обратно в ковш.

Порция металла засасывается в камеру, в один из патрубков начинают подавать инертный газ через специальную пористую вставку, образуется газометаллическая смесь, имеющая меньшую плотность, чем жидкая сталь. Эта смесь непрерывным потоком поступает в вакуум-камеру, где металл дегазируется и стекает в ковш по сливному патрубку, так как имеет большую плотность, чем поднимающийся. Скорость движения металла в значительной степени зависит от производительности вакуум-насосов и достигает 1 м/с. Масса расплава, поступающего в камеру за 1 мин., достигает 30 % от массы стали в ковше. Через 10…15 мин. циркуляции металла через камеру содержание водорода в металле достигает (0,9…1,3)·10-4 %.

Удельный расход аргона составляет 0,07…0,10 м³/тн. Стойкость патрубка ≈ 100 плавок. Для повышения стойкости и снижения теплопотерь вакуумкамеру обычно разогревают графитовым электронагревателем до 1723…1823 К.

На этих установках можно присаживать до 10 т. легирующих элементов, при этом содержание водорода снижается до менее 1,5·10-4 %, углерода - <3·10-3 %, азота - <4·10-3 %.

Увеличение диаметра нижней части камеры и погружных патрубков способствует интенсификации циркуляции металла и сокращению времени обработки, аналогичное действие оказывает увеличение количества вдуваемого аргона.

Порционный вакууматор. Способ порционного вакуумирования с засасыванием в вакуум-камеру одновременно лишь 8-12 % всего металла в ковше был разработан в 1956году. По начальным буквам фирмы-разработчика (Dortmunder Herder Huttenunion – ФРГ) он обычно называется процессом DH.

Увеличение относительной поверхности жидкого металла в процессе вакуумной обработки с целью повышения ее эффективности может быть достигнуто, если одновременно вакуумированию подвергать не всю массу металла в ковше, а небольшую ее часть. С этой целью были разработаны способы порционного вакуумирования в специальных камерах.

Обработка стали происходит в футерованной вакуум-камере, в которую металл засасывается через футерованный изнутри и снаружи патрубок вследствие создания в камере разрежения. Патрубок перед вакуумированием погружается в металл, находящийся в ковше, на глубину 300 – 600 мм, что исключает подсос воздуха в вакуум камеру. Одновременно засасывается 8-12 % общей массы металла в ковше. Уровень металла в вакуум-камере примерно соответствует внешнему атмосферному давлению.

При движении ковша вниз или вакуум-камеры вверх металл вытекает из вакуум-камеры в ковш (остается лишь в патрубке), а при обратном движении вновь засасывается в камеру, где подвергается вакуумной обработке. Таким образом, сталь, находящаяся в ковше, и поступающая из вакууматора порция стали перемешиваются, и достигается однородность обработанного металла.

В процессе вакуумирования вакуум-камера движется в установленных пределах автоматически с заданной неравномерной скоростью. Она меньше при движении камеры вниз, когда происходит интенсивная дегазация, и больше при движении вверх, когда дегазация менее интенсивная. По этой же причине скорость движения камеры меньше в начале вакуумной обработки и больше в конце.

Один цикл обработки, включающий наполнение и освобождение вакуум-камеры до уровня соединения ее с патрубком, продолжается 15-30 секунд. Количество циклов, необходимое для достижения определенной цели обработки (удаление водорода, углеродного раскисления, окисления углерода, перемешивания), оценивается коэффициентом рециркуляции. Он равен отношению суммарной массы металла, прошедшей через камеру за время обработки, к массе металла в ковше. Обычно при порционном вакуумировании стали коэффициент рециркуляции равен 3-4. Давление в вакуум-камере по ходу обработки меняется. В течение 15-30 циклов оно ступенчато понижается до 50-100 Па.

Для уменьшения потерь тепла вакуум-камеру перед вакуумированием нагревают до 1500-1560°С с использованием системы электронагрева или газокислородными горелками. За время вакуумирования температура металла понижается всего на 10-30°С. Дополнительное охлаждение металла может происходить в случае присадки значительного количества некоторых ферросплавов (ферромарганца, феррохрома).

Одним из основных процессов, обеспечивающих улучшение качества стали при порционном вакуумировании, является понижение содержания кислорода в результате углеродного раскисления.

Оно происходит интенсивно в начале вакуумной обработки и в основном завершается уже через 10-15 циклов, то есть при коэффициенте рециркуляции менее 2. При вакуумировании стали, содержащей 0,15-0,20 % С и более, содержание (активность) растворенного в ней кислорода понижается до уровня 0,004-0,005 %. В процессе дальнейшей обработки содержание кислорода практически не понижается.

Следует отметить, что достигаемая активность кислорода делает невозможной реакцию окисления углерода в процессе кристаллизации стали при обычном атмосферном давлении и обеспечивает получение качественного слитка спокойной стали. Она находится примерно на том же уровне, что и при раскислении алюминием. Но и в этом случае присадка алюминия после вакуум - углеродного раскисления необходима для предупреждения возможности ухудшения качества слитка в результате вторичного окисления, а также для устранения склонности стали к старению.

Весьма низкий эффект раскисления углеродом в вакууме имеет место при обработке особо низкоуглеродистой стали. При порционном вакуумировании стали с исходным содержанием углерода < 0,03% в конце вакуумирования (до раскисления) не удается получить содержание кислорода менее 0,06-0,08 %.

При порционной обработке стали (по сравнению с обычной плавкой без такой обработки) получают не только меньше содержание оксидных неметаллических включений, но и меньше их размеры (балл) в готовой стали. При вакуумировании нераскисленной или не полностью (без алюминия) раскисленной стали это объясняется весьма низким содержанием кислорода в момент присадки алюминия или всех раскислителей. При вакуумной обработке полностью раскисленной стали это является следствием интенсивного удаления крупных (более 10 мкм) неметаллических включений.

Интенсивное перемешивание металла при поступлении в вакуум-камеру и обратно в ковш создает и другие преимущества порционного вакуумирования по сравнению с другими способами.

В процессе вакуумирования можно вводить в металл через специальный загрузочный патрубок со шлюзом значительное количество ферросплавов, осуществляя легирование и раскисление. При этом существенно уменьшается угар легирующих элементов и раскислителей. Усвоение элементов увеличивается и примерно составляет, %: кремния и марганца 95, алюминия 80, титана 70, хрома – до 100. Малый угар и благоприятные условия контроля позволяют получать сталь с узкими пределами колебаний содержания элементов, %: углерод ±0,015; марганец ± 0,050; алюминий ± 0,005; титан ± 0,015; ванадий ± 0,010.

Поскольку сталь обрабатывается отдельными порциями, масса металла в ковше при порционном вакуумировании практически не ограничивается. При этом можно использовать вакуумные насосы небольшой производительности.

Установки порционного вакуумирования представляют собой сложные сооружения.

Для реализации описанного технологического процесса необходима не просто вакуум – камера, а целый комплекс механизмов, устройств и сооружений, обеспечивающих создания необходимого разряжения, перемещения камеры, дозированной присадки ферросплавов и другого оборудования. Такой комплекс получил название порционного вакууматора, в состав которого входит следующее основное оборудование: вакуум – камера, система хранения, дозирования и загрузки ферросплавов, устройство для нагрева рабочего пространства камеры, механизм её перемещения, система охлаждения и транспортировки газов, включая вакуумные насосы (см. рис. 11.2), специальный сталевоз для транспортировки ковша, а в случае необходимости и ремонта камеры. Всё это представляет собой сложное и громоздкое оборудование, требующее для установки и обслуживания больших площадей и объёмов здания, а поэтому размещается либо в отдельном пролёте цеха, либо на большом по площади специализированном участке.

Вакуум – камера представляет собой стальной корпус достаточно сложной конфигурации, футерованный специальными огнеупорными материалами. В верхней части камера соединяется с откачной вакуумной системой, а в нижней всасывающим или погружным патрубком, опускаемым в металл, находящийся в ковше.

Форма рабочего пространства порционных вакуум – камер не имеет оптимального решения, чем и объясняется значительное число её разновидностей (см. рис. 11.3). В целом профиль рабочего пространства камеры определяется условиями вакуумирования расплава, стойкостью футеровки, а также возможностью минимизаци её объёма и снижением тепловых потерь. Радикальное влияние на форму профиля оказывает совершенствование сталеразливочного технологического оборудования.

Однако решающим фактором в создании своеобразной и достаточно сложной формы конфигурации рабочего пространства камеры является возможность достижения максимальных скоростей дегазации металла.

Эта задача решается путём создания развитой поверхности контакта расплава (при относительно небольшой его глубине) с разряженной атмосферой камеры. Поэтому наибольший диаметр камеры по её лещади определяется её объёмом, занимаемым порцией металла, которая может быть засосана в камеру под действием разряжения, созданного откачной системой. Обычно эта порция составляет ≈ 8 – 10 % от массы металла, находящегося в ковше. С учётом возможного увеличения массы порции, а также подъёма уровня стали в камере за счёт её вспенивания, к подине пристраивается цилиндрическая часть высотой, примерно равной рабочему ходу камеры, образуя металлоприёмник или ванну камеры. Лещадь ванны обеспечивает угол наклона в пределах 10 – 12 % в сторону патрубка для ускорения слива металла и устранение застойных зон. Совершенствование формы и габаритов рабочего пространства определяется стойкостью футеровки, оптимизацией объёма камеры и тепловых потерь.

Металлический корпус камеры изготавливается из гнутых и штампованных стальных обечаек толщиной 15 – 25 мм, сваренных между собой в стык, при этом ко всем сварным соединениям предъявляются повышенные требования по газоплотности швов.

Учитывая сложность конфигурации рабочего пространства и неравномерность износа его футеровки, корпус имеет несколько разъёмов, обеспечивающих как быструю взаимозаменяемость различных элементов камеры, так и возможность их ремонта на месте. Все разъёмы обеспечиваются фланцевыми болтовыми соединениями с различными герметизирующими прокладками. Кроме того, фланцы выполняют также функции рёбер жесткости. В ряде случаев на участках корпуса, имеющие значительные габариты по высоте и диаметру, чаще всего в районе металлоприёмника и стен, на их внешней стороне привариваются специальные кольцевые ребра жесткости. Для транспортировки кранами корпус снабжается цапфами с цапфенными плитами.

Основным направлением совершенствования вакуум-камер является уменьшение количества болтовых соединений и замена их сварными в целях повышения герметизации. Так, например, на большинстве металлургических предприятий погружной патрубок крепится к камере с помощью сварки, несмотря на то, что стойкость его футеровки ниже, чем стойкость футеровки днища и стен камеры. В ряде случаев с упрощением формы рабочего пространства камеры появилась возможность отказаться от разъемных соединений на участке стыка металлоприемника и наклонных стен. Все это обеспечило возможность достичь низких остаточных давлений и эффективнее проводить процесс вакуумирования металла. Днище камеры для защиты от перегрева и коробления оборудовано экраном из стального листа, который крепится с зазором 100…200 мм.

Патрубок изготавливается из гнутых стальных листов толщиной 10…20мм и соединяется с камерой при помощи фланцев или с помощью сварки. Для удержания внешней защитной футеровки по всей поверхности патрубка приваривается арматура в виде шипов, удерживающих обмазку. На внутренней поверхности также привариваются различные по форме детали для крепления огнеупоров на вертикальных стенках патрубка.

Огнеупорная футеровка рабочего пространства камер порционного вакуумирования является весьма трудоемкой по своему конструктивному выполнению в сравнении с особенностями футеровки других вакуумных агрегатов (рис. 11.4). Это обусловлено сложностью профиля рабочего пространства, требующего как большего числа типоразмеров кирпичей, так и специфическими условиями службы огнеупорных материалов, испытывающих не только циклические воздействия расплавов металла, шлака, температуры, но и вакуума. В целом по условиям службы футеровку камеры условно можно разделить на две зоны, из которых одна контактирует непосредственно с расплавом, а вторая с потоком брызг и газовой атмосферы. В то же время, как показывает практика эксплуатации камер такого типа, конкретные условия службы, а следовательно, и стойкость материалов, существенно могут отличаться даже в пределах одной зоны.

Обработка металла вакуумом и кислородом. Для интесификации процесса обезуглероживания вакуумные установки в ряде случаев дополняют устройствами для одновременной продувки металла кислородом. На таких установ­ках удается в необходимых случаях получать особо высокую степень обезуглероживания.

За рубежом распространено обозначение процесса VOD (Vacuum-Oxygen-Decarburisation) - вакуум, кислород, обезуглероживание (рис. 11.5). Применительно к установкам циркуляционного вакуумирования процесс обезуглероживания ускоряется при введении кислорода для продувки или обдувки металла непосредственно в камере циркуляции. Процесс (рис. 11.5) получил название RH-OB (RH + Oxygen - Blow).

По-иному проблема сочетания конвертера с вакуумной установкой решена при вакуумном кислородном обезуглерожи­вании в конвертере; процесс назван VODK. Заново отфутерованный конвертер имеет объем 28 м³. Конвертер оборудован вакуум-плотной крышкой, через вакуумное уплотнение которой вводится кислородная фурма. В днище конвертера проходит асимметрично сопло для подачи аргона с целью дополнительного перемешивания. Вакуум-провод от конвертера вмонтирован непосредственно в камеру внепечного вакуумирования.

Во все периоды плавки через подовую фурму подают аргон. Окисление углерода в этом случае протекает так же, как при вакуум-кислородной продувке. Подачу кислорода прекращают при концентрации углерода ~ 0,2 %, затем по­нижают давление до 665 Па. Кислород, необходимый для окисления углерода, посту­пает в первую очередь из шлака. Температура металла понижается на этот период при­мерно на 60 °С. В конце плавки присадкой ферросилиция осуществляется восстановление из шлака хрома и марганца, присаживается известь, плавиковый шпат и корректирующие присадки. Перед окончанием плавки шлак скачивают и металл выпускают в ковш.

Метод продувки инертными газами. Для повышения качества металла получил промышленное рас­пространение по мере освоения технологии получения деше­вого аргона в больших количествах (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воз­духе ~ 1 % Аr). На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося арго­на достаточен для обработки больших количеств стали. В тех странах, где имеются запасы гелия, для продувки используют также гелий.

Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто исполь­зуют азот, т.к. при 1550—1600°С процесс растворения азо­та в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м3/т стали. В зависимости от массы жидкой стали в ковше снижение темпе­ратуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5-4,5°С/мин (без продувки металл в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0°С/мин). Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями: металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом одновременно снижается степень окисления обнажающегося при продувке металла. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора. Продувочные, устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

Большое распространение получил способ продувки через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные встав­ки или пробки; в тех случаях, когда продувку проводят одновременно через несколько пробок (вставок), эффективность воздействия инертного газа на металл существенно увеличивается. Продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0 м3/т влияет на удаление из металла неметаллических включений; для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2нЗм3/г металла.

Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком способствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта металла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществ­ляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет металл от окисления, а сниже­ние потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана разработанная на одном из заводов Японии технология так называемого САВ-процесса данная технология предусматривает нали­чие на поверхности металла в ковше синтетического шлака заданного состава.

В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает какое-то количество конечного окисленного шлака (например, при выпуске плавки из конвертера), используют метод, названный металлургами Японии SAB-процессом.

Введение в металл добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается в несколько усложненном способе за­щиты зоны продувки, названном CAS-процессом.

По этому способу в ковш сверху вводят огнеупорный кол­пак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим кону­сом, таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак; затем снизу под колпак подают аргон.

Аргонокислородная продувка. Влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении углерода, использовано при разработке тако­го процесса, как аргонокислородное обезуглероживание или аргонокислородное рафинирование (АКР) .

При продувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2О_2(г) = СО_г определяется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида углерода. Продувая металл смесью кислорода с аргоном, мы добиваемся "разбав­ления" пузырей СО аргоном и соответствующего сдвига впра­во равновесия реакции. Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны.

Для осуществления процесса аргонокислородного рафини­рования создан агрегат, обычно именуемый AOD-конвертер. Конструкция фурм для подачи смеси аргона и ки­слорода позволяет в широких пределах регулировать соотно­шение О₂:Аr; при этом соответственно меняется окислитель­ный потенциал вдуваемой газовой смеси, вплоть до продувки одним аргоном (обычно в заключительной стадии плавки). Если при этом продувку вести под высокоосновным шлаком, обеспечивается также эффективная десульфурация расплава.

Сравнительная простота организации аргонокислородной продувки, высокая производительность агрегатов и возмож­ность изменять в широких пределах окислительный потенциал газовой фазы (отношение О₂: Аr) приводят к непрерывному расширению сферы распространения этого метода. Этот метод используют для производства не только коррозионностойких, но также и электротехнических, конструкционных и других сталей. Этот метод позволяет получать в конвертере высо­кохромистые стали непосредственно из чугуна с использова­нием в качестве шихтового материала хромистой руды. Жид­кий чугун подвергают внедоменной обработке (обескремниванию, дефосфорации), после чего заливают в конвертер. В процессе продувки в конвертере осуществляют обезуглерожи­вание, десульфурацию и легирование хромом. Часть хрома вводят в металл с феррохромом, а часть — с хромистой рудой, оксиды которой восстанавливаются углеродом чугуна. На одном из заводов Японии организовали производство коррозионностойкой стали из расплава никелевых и хромистых руд. Никелевую руду с высоким содержанием железа подвер­гают дроблению, обогащению и предварительному нагреву в смеси с углеродистым восстановителем и в нагретом (~1000°С) состоянии загружают в рудовосстановительную печь, в которой получают расплав с 13-15 % Ni.

Хромистую руду также подвергают предварительной обра­ботке и в нагретом (~500°С) состоянии загружают в рудо­восстановительную печь, в которой получают расплав с 40 - 43% Сr. Расплавы смешивают в ковше и заливают в конвер­тер, в котором подвергают аргонокислородной продувке для получения специальных высокохромистых никельсодержащих коррозионностойких сталей.

По сравнению с известным способом получения таких сталей из скрапа по схеме дуговая электропечь — конвертер аргонокислородной продувки затраты энергии в новом процессе ниже, содержание неметаллических включений и азота меньше, поскольку используют первородную шихту и не происходит образование атомарного азота в зоне продувки.

Лекция № 12. Дуговые электросталеплавильные печи. Современное состояние развития дуговых электросталеплавильных печей. Конструкции электродуговых печей. Служба футеровки. Водоохлаждаемые конструктивные элементы печи.

Значительное повышение производительности и технико-экономических показателей работы дуговых электрических печей, а также увеличение количества свободного металлического лома вследствие интенсивного развития кислородно-конвертерного процесса вызвали рост мирового производства электростали. Современный рынок черных металлов с его высокой конкуренцией требует снижения энерго- и материалоемкости как определяющих условий повышения эффективнос