2774.Вакуумные технологии

2. ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ

Интенсивное использование вакуумной техники характерно практически для всех отраслей металлургической промышленности. В металлургии используются печи и средства внепечной обработки в технологических процессах, обеспечивающих выплавку высокочистых металлов и сплавов. В порошковой металлургии вакуумная технология применяется на завершающей стадии компактирования − при спекании порошковых и твердых сплавов, керамик, постоянных магнитов и пр. Вакуумные процессы термодиффузионной и электронно-лучевой сварки позволяют получать качественные неразъемные соединения приборов, деталей конструкций машин и сооружений в ядерной, аэрокосмической, электронной, автомобильной и других отраслях промышленности.

2.1. Внепечная вакуумная обработка

Осуществление многих вакуумных технологических операций вне печи, таких как непрерывная или частичная дегазация, дегазация при нагреве, раскисление, обезуглероживание и прочие, позволяет расширить возможности сталеплавильных агрегатов, в частности мартеновских печей и кислородных конверторов по сортаменту выплавляемого металла и поставлять новые виды продукции с требуемым химическим составом и свойствами. Таким образом, процесс выплавки стали в мартенах и конверторах упрощается и сводится только к расплавлению шихты, нагреву металла до заданной температуры и удалению вредных примесей, окисных включений, а также избытка углерода.

Одним из эффективных методов повышения качества стали в связи с возможностью существенного снижения содержания кислорода и получения мелкой дендритной структуры слитков является раскисление стали углеродом в вакууме. Протекание реакции обезуглероживания в вакууме широко используется для получения сталей с низким содержанием углерода (менее чем 0,01 %), главным образом сталей для эмалирования с одноразо-

31

вым покрытием и электротехнических. Этот процесс также позволяет значительно сократить продолжительность дорогостоящего обезуглероживающего отжига стального листа или вообще отказаться от него.

Процесс рафинирования стали в металлургии – вакуумная обработка стали – влияет, как известно, на протекание тех процессов и реакций, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза, в частности, образуется при протекании реакции окисления углерода с образованием СО, при протекании процессов выделения растворенных в металле азота и водорода, а также процессов испарения цветных металлов в виде примесей.

Определенное количество углерода практически всегда содержится в стали. Равновесие реакции [С]+[О] = COгаз, где [C]; [O] – концентрации растворенных в металле углерода и кислорода соответственно, при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода. Константа равновесия этой реакции Кс может быть выражена формулой Кс = Pсо/а[C]а[O], где Pсо – парциальное давление окиси углерода в металле; а[C], а[O] – активность углерода и кислорода соответственно.

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

(MeO) + [C] = Me + COгаз.

Менее прочные соединения, например такие, как Cr2O3 или MnO, восстанавливаются практически полностью; для восстановления более прочных включений, например таких, как TiO2 или Al2O3, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концентрации кислорода («окисленности» металла) в сплаве за счет реакции окисления углерода при вакуумной обработке получило название «углеродное раскисление стали».

Вакуумная обработка металла также влияет и на содержание в стали водорода и азота. Содержание водорода в стали при прочих равных условиях определяется давлением водорода в газовой фазе. При снижении давления водорода над расплавом

32

равновесие реакции 2[Н] = Н2газ сдвигается вправо. В жидкой стали водород отличается высокой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (DH = 1,2…1,5·10–3 см/с), и в результате вакуумирования металлопродукции значительная часть содержащегося в металле водорода активно удаляется из сплава.

Аналогично, равновесие реакции 2[N] = N2газ при снижении давления азота тоже сдвигается вправо, однако азот в стали менее подвижен, коэффициент его диффузии в жидком железе на порядок меньше, чем у водорода (DN = (1–4)·10–4 см/с), в результате чего интенсивность удаления азота из сплава при вакуумировании значительно ниже, нежели у водорода. Таким образом, требуются большая глубина вакуума и длительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от азота и водорода под вакуумом ускоряется одновременным протеканием процесса выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают сталь и сами являются локальными «вакуумными камерами», так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления азота и водорода равны нулю. Таким образом, при вакуумной обработке стали в ней уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений. В результате выделения большого количества газовых пузырьков сталь перемешивается, становится однородной, т.е. происходит гомогенизация расплава, следовательно, металлопрокат и металлопродукция из таких сталей становятся более высококачественными.

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

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

Порционные и циркуляционные установки для внепечного вакууммирования используются при изготовлении широкого

33

сортамента нержавеющих сталей, содержащих менее 0,02 % углерода, обладающих высокими антикоррозионными свойствами и хорошо подвергающихся полировке. Так, на установках циркуляционного вакуумирования предприятий Mittal Steel Ruhrort GmbH в Рурорте (Германия) и ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» в Липецке среднее содержание углерода в металле составило менее 0,003 %.

В установках внепечного вакуумирования широко применяются вакуумные пароэжекторные насосы (рис. 2.1), представляющие собой агрегаты из нескольких (от 4 до 6) последовательно соединенных эжекторных ступеней, обеспечивающих необходимую скорость откачки и требуемое остаточное давление. Для ускорения откачки системы до рабочего давления в установках внепечного вакуумирования предусматриваются один или два пусковых эжектора, включаемых параллельно основному откачному насосу. Пусковые эжекторы способны очень быстро откачать систему до остаточного давления 1·104–2·104 Па, после чего отключаются.

Рис. 2.1. Пароэжекторный насос (а) и пароэжекторный агрегат с поверхностными конденсаторами (б) (оба – BOC Edwards, Великобритания)

34

Для обработки более интенсивных потоков газов при низких давлениях применяются многоступенчатые эжекторные комплексы, которые значительно снижают расход пара и, следовательно, эксплуатационные расходы (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Пятиступенчатыйпароэжекторныйблок, г. Раменское, Московская область(а) имногоступенчатая комбинированная эжекторно-жидкостно- кольцевая система производства компании BOC Edwards, Великобритания (б)

Процесс вакуумной дегазации, т.е. удаление растворенных в расплаве металла газов, обеспечивает не только получение металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и способствует улучшению его механических свойств. В настоящее время дегазация в вакууме широко используется при производстве стального листа для автомобилестроения, так как стальные листы достигают при такой технологии повышенного предела текучести. При этом дегазацию расплава металла во всем его объеме обеспечивает наиболее простой процесс вакуумной обработки в ковше.

К технологиям вакуумной внепечной обработки относятся процессы вакуумной обработки стали и сплавов в ковше, вакуумирование стали в струе, вакуумирование стали небольшими

35

объемами путем всасывания или принудительной циркуляции металла из ковша в специальную вакуумную камеру.

Наиболее удобной в промышленной эксплуатации оказалась установка ковшового вакуумирования, эксплуатируемая на заводе «Днепроспецсталь». Цилиндрическая стальная сварная камера шарнирно соединена с крышкой, подъем и опускание которой производится электроприводом. В центре крышки расположен закрывающийся контейнер-дозатор с открывающимся днищем для добавления в ковш различных раскислителей и лигатур. Вакуумная обработка производится при остаточном давлении 3·103−3,5·103 Па. Аналогичное оборудование также внедрено на Выксунском и Омутнинском металлургических заводах (Россия), Енакиевском металлургическом заводе (рис. 2.3) и комбинате «Энергомашспецсталь» (Украина).

Рис. 2.3. Установка«ковш-печь» производстваНовокраматорского металлургического завода (Донецк, Украина), Енакиевский металлургический завод, Украина

Эффективность способа вакуумирования стали в ковше может быть повышена принудительным перемешиванием металла электромагнитным полем. Современные установки вакуумирования стали в ковше с электромагнитным перемешиванием обес-

36

печивают качественную дегазацию всего находящегося в ковше расплава и равномерное распределение в нем вводимых в ковш раскислителей и лигатур.

Технология вакуумирования стали в струе применяется для обезводораживания стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение этого типа внепечной обработки объясняется высокой скоростью дегазации и сравнительной простотой практического осуществления. Чаще всего установка этого типа состоит из вакуумной камеры с изложницей, ковша с расплавом, ограничителя разбрызгивания струи металла, вакуумного насоса и вакуумного затвора. При отливке слитка в вакууме струя металла, сливаемого из ковша в изложницу, установленную в вакуумной камере, диспергируется выделяющимися газами на множество мелких капель металла. Поверхность металла резко возрастает, что приводит к глубокой дегазации стали. Кроме того, сталь также дегазируется в изложнице (рис. 2.4, 2.5).

Рис. 2.4. Установкаглубокоговакуумирования стали(Новокраматорский металлургическийзавод, Украина, в партнерствес«ЭКВАКС», Россия) для режимов вакуумирования при разливке в струе, вакуумирования в ковше и двойного вакуумирования

37

Рис. 2.5. Стадии обработки расплава на установке глубокого вакуумирования: транспортировка крышки, установка ковша с расплавом в камеру, установка крышки и вакуумирование расплава, снятие крышки, извлечение ковша из камеры: 1 – пароэжекторный вакуумный насос; 2 – крышка вакууматора с водоохлаждаемым экраном, позволяющая вести визуальный контроль вакуумирования, замер температуры и отбор проб, а также подачу легирующих и шлакообразующих элементов под вакуумом; 3 – вакуумная камера с огнеупорной футеровкой внутренней поверхности с водоохлаждаемым уплотнением между камерой и крышкой и гидроцилиндрами; 4 – тележка вакууматора с возможностью плавного

пуска и останова в конечных положениях цикла

Струйное вакуумирование металла применяется в основном при отливке крупных слитков. Наиболее крупные слитки, отливавшиеся в вакууме, имеют массу около 400 т и предназначены для роторных валов атомных электростанций. Этот способ является более совершенным, так как устраняется вторичное окисление при разливке вакуумированного металла из ковша в изложницы.

Для слитков относительно небольших размеров применяют метод вакуумирования в струе переливом металла из ковша

вковш. Порционный и циркуляционный методы вакуумирования отличаются от рассмотренных выше тем, что воздействию вакуума здесь одновременно подвергается только небольшая часть металла, всасываемого из обычного сталеразливочного ковша

врасположенную над ним вакуумную камеру через погруженный в металл всасывающий патрубок. Принципиальным различием между этими двумя методами является характер и способ перемещения металла из ковша в вакуумную камеру и обратно.

38

Порционный способ внепечного вакуумирования, разрабо-

танный фирмой Dortmund – Hörder Hüttenunion (ФРГ), обычно называют способом DH. Первая промышленная установка этого типа введена на заводе этой фирмы в Дортмунде в 1956 г. Вакуумированию подвергали сталь, выплавленную в мартеновских печах. Емкость ковша составляет 40–110 т.

Метод порционного вакуумирования жидкой стали заключается в вакуумной обработке расплавленного металла путем многократного его всасывания из сталеразливочного ковша небольшими порциями в вакуумную камеру (рис. 2.6).

Рис 2.6. Традиционная (а) и современная (б) конструкция вакуумной камеры, SMS Mevac UK Limited, Винсфорд, Чешир, Великобритания

В установках рассматриваемого типа порция металла поступает через огнеупорный патрубок из сталеразливочного ковша в вакуумную камеру на высоту примерно 1,4 м за счет создания в ней значительного разряжения.

39

При опускании вакуумной камеры в нее натекает из ковша порция металла (примерно 15–18 т), которую и подвергают вакуумной обработке. При последующем подъеме вакуумной камеры в пределах рабочего хода происходит слив дегазированного металла обратно в ковш. Вследствие последующего вертикального возвратно-поступательного движения вакуумной камеры в пределах рабочего хода через нее проходят новые порции металла. Сливающиеся порции металла из вакуумной камеры опускаются на дно сталеразливочного ковша. В некоторых случаях поднимается и опускается не вакуумная камера, а ковш с металлом, камера остается неподвижной.

Масса единовременно подаваемого в вакуумную камеру расплава должна составлять не менее 10–12 % от общей массы металла в ковше. Амплитуда этих перемещений может превышать 2 м. Скорость подъема и опускания 6–7 м/мин (3–4 качка в минуту по общепринятой практике). Длительность одного цикла, включающего в себя наполнение и опорожнение вакуумной камеры, составляет от 15 до 30 секунд.

Число необходимых циклов оценивают коэффициентом рециркуляции, устанавливаемым опытным путем, в зависимости от массы металла, всасываемого за один цикл, состава стали, степени ее раскисления и конкретной задачи вакуумной обработки. Коэффициент рециркуляции выражают отношением суммарной массы стали, прошедшей через вакуумную камеру за все время процесса дегазации к общей массе стали в ковше. Так, например, количество циклов вакуумирования при обработке металла с целью удаления из него водорода и сокращения продолжительности противофлокенной обработки проката должна составлять не менее:

при обработке раскисленного металла – 70 циклов;

при обработке нераскисленного металла – 50 циклов. Считают, что массу стали 100 т необходимо пропустить че-

рез установку 3,5 раза. Для этого делают 45–50 качков. Время

40