SPR / Лекция_6

76

6 ЦИРКУЛЯЦИОННОЕ ВАКУУМИРОВАНИЕ СТАЛИ

Первое промышленное оборудование для циркуляционного вакуумиро-

вания стали (RH-процесс, RH) было введено в эксплуатацию в 1959 г. в Герма-

нии. Аббревиатура RH составлена из первых букв в названиях фирм

«Ruhrstahl» (металлургическое предприятие) и «Heraeus» (производитель ваку-

умных насосов).

В настоящее время RH-процесс используется преимущественно в кисло-

родно-конвертерных цехах. Как правило, установки RH имеют оборудование для ввода в металл внутри вакуумной камеры раскислителей и легирующих.

Ферросплавы подают через вакуумный затвор без изменения давления в каме-

ре. Наличие такого оборудования позволяет решать следующие задачи:

∙обезуглероживание металла при производстве низкоуглеродистых марок стали и стали с ультранизким содержанием углерода;

∙удаление водорода и корректировка химического состава стали.

6.1 Краткое описание процесса

Схема оборудования установки RH показана на рисунке 6.1.

Металлургические процессы протекают в предварительно нагретой, фу-

терованной вакуумной камере, к днищу которой крепятся два футерованных изнутри и снаружи патрубка. В верхней части камеры расположен газоотводя-

щий канал, который через охладитель газов соединен с вакуумными насосами.

В начале обработки патрубки вакуумной камеры погружают в металл на заданную глубину, после чего включают вакуумные насосы. Благодаря разнице между атмосферным давлением и давлением внутри вакуумной камеры металл поднимается вверх, заполняет патрубки и поступает в вакуумную камеру. Глу-

бина погружения патрубков должна обеспечивать высоту слоя металла над по-

верхностью футеровки днища камеры около 0,3 м. При низком давлении над поверхностью расплава внутри вакуумной камеры протекают процессы вакуум-

77

Рисунок 6.1 – Схема оборудования установки RH:

1 – вакуумная камера; 2 – ковш; 3 – система подачи легирующих; 4 – телевизи-

онная камера; 5 – графитовый стержень; 6 – подача аргона; 7 – охладитель газа; 8 – шарнирное соединение; 9 – пароэжекторный насос; 10 – конденсатор влаги; 11 – водокольцевой насос; 12 – клапан для рециркуляции отходящих газов; 13 –

дожигание оксида углерода; 14 – водосборник

но-углеродного раскисления, удаления водорода и азота путем диффузии к по-

верхности металла, адсорбции, молизации и десорбции в газовую фазу.

Для дегазации всего количества металла в ковше и равномерного распре-

деления в нем раскислителей и легирующих металл должен непрерывно цирку-

лировать из ковша в вакуумную камеру и обратно. С этой целью через тонкие трубки, заложенные в футеровку одного из патрубков, внутрь его подают аргон.

При этом объемная плотность газо-металлической смеси в нем становится меньше плотности металла во втором патрубке, а высота металла над подводя-

щим патрубком увеличивается. Через него в камеру непрерывно поступают порции металла, который подвергается дегазации и через отводящий патрубок возвращается в ковш.

Подача раскислителей и легирующих на чистую от шлака поверхность

78

металла внутри вакуумной камеры обеспечивает высокое и стабильное их ус-

воение. Внутри камеры эти добавки растворяются и вместе с вытекающим из нее металлом попадают в ковш. Для усреднения химического состава металла в ковше обычно требуется не более трех минут.

6.2 Конструкция установок циркуляционного вакуумирования

В качестве примера на рисунке 6.2 показан поперечный разрез вакуумной камеры установки RH для обработки стали в 100-т ковше.

Рисунок 6.1 – Конструкция вакуумной камеры ус-

тановки RH для обработки стали в 100-т ковше

Камера представляет собой вытянутый ци-

линдр из двух частей, соединенных с помощью фланца. Общая высота камеры определяется вы-

сотой взлета брызг металла, которая при обработ-

ке нераскисленной стали может достигать 10 м.

По этой причине высота камер установок RH для обработки металла в ковшах вместимостью 100 – 340 тонн обычно составляет 10 – 11 м.

Рабочий слой футеровки камеры выполнен из магнезитохромитового кирпича на прямой связке из предварительно переплавленных или спеченных материалов. Для теп-

ловой изоляции различных участков камеры использован высокоглиноземи-

79

стый, шамотный или силикатный кирпич.

Подводящий и отводящий патрубки соединены с нижней частью камеры при помощи фланцев. Для их футеровки также использован магнезитохромито-

вый кирпич на прямой связке из предварительно переплавленных или спечен-

ных материалов. Футеровка нижней части патрубков снаружи и внутри выпол-

нена с использованием набивных или литых высокоглиноземистых масс, уси-

ленных иглами из нержавеющей стали.

Для ввода аргона в подводящий патрубок обычно используют 8 – 20 тру-

бок из нержавеющей стали внутренним диаметром около 3 мм (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 – Схема ввода аргона в подводящий пат-

рубок установки RH

Расход аргона на каждую трубку регулируется раздельно, что позволяет избежать прекращения пода-

чи аргона при засорении одной из труб.

Чтобы избежать образования настылей на внут-

ренней поверхности стенок вакуумной камера ее футе-

ровка перед началом эксплуатации должна быть нагре-

та до 1400 – 1500оС. В настоящее время с этой целью используют электрообогрев камеры с использованием графитового стержня.

Температурно-временной режим разогрева футеровки представлен на рисунке

6.4.

Установки RH могут иметь одну вакуумную камеру или две вакуумные камеры с общей системой пароэжекторных насосов.

Опускание вакуумных камер в металл и их подъем осуществляется при помощи вращающейся рамы (рисунок 6.5) или тросов в устройствах блочного типа (рисунок 6.6). Значительно реже используются установки блочного типа, в

80

Рисунок 6.4 – Температурно-временной режим разогрева камеры установки RH

Рисунок 6.5 – Схема установки RH с вращающейся рамой

которых опускание и подъем вакуумной камеры осуществляются при помощи четырех гидроцилиндров.

Для быстрой замены вакуумных камер разработаны конструкции устано-

вок RH, в которых камера установлена на тележке, а ковш поднимают и опус-

кают при помощи гидроцилиндров (рисунок 6.7).

81

Рисунок 6.6 – Схема установки RH блочного типа

Рисунок 6.7 – Схема установки RH с быстрой заменой вакуумной камеры

83

ризаторы, ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Перед отправкой на ус-

тановку RH металл имел состав, % мас.: 0,40 C; 0,70 Mn; 0,25 Si; 0,015 Al. Со-

держание водорода в металле было равным 5 ppm.

После доставки ковша на позицию обработки, визуально контролируя процесс погружения, вакуумную камеру опустили до погружения патрубков в металл на требуемую глубину. Эта операция длилась 1 минуту.

Обычно, чтобы избежать закупоривания настылями трубок, через кото-

рые в подающий патрубок установки вдувают аргон, в промежутках между об-

работками подачу газа не прекращают. Однако, исходя из экономических сооб-

ражений, в промежутках между обработками трубки продувают азотом. Одно-

временно с началом движения камеры система подачи газа в подводящий пат-

рубок автоматически переключается с азота на аргон, расход которого поддер-

живают на заранее заданном уровне.

В рассматриваемом примере при погружении патрубков установки в ме-

талл расход аргона составлял 900 нл/мин.

После погружения патрубков включили вакуумные насосы.

Обычно вакуумные насосы автоматически включаются в заданной после-

довательности согласно предварительно выбранному режиму изменения давле-

ния в камере.

Одновременно с откачкой камеры провели отбор пробы металла для хи-

мического анализа и замер температуры. При температуре 1650оС металл со-

держал, % мас.: 0,41 C; 0,71 Mn; 0,26 Si; 0,010 Al. Контролируя давление в ка-

мере по данным на экране монитора и поведение металла внутри вакуумной камеры при помощи телекамеры, расход аргона постепенно повысили до 1200

нл/мин.

Через 3 минуты после начала откачки давление в вакуумной камере пони-

зилось до 0,2 кПа. С этого момента начали отсчет времени дегазации стали,

продолжавшейся в общей сложности 20 минут. В процессе дегазации на по-

верхность металла в вакуумной камере подали карбюризатор и ферросплавы.

По окончанию дегазации провели отбор пробы металла и замер темпера-

84

туры. При температуре 1695оС металл содержал, % мас.: 0,45 C; 0,80 Mn; 0,30

Si; 0,035 Al.

Убедившись, что химический состав металла соответствует требованиям,

вакуумные насосы отключили и после повышения давления начали подъем ка-

меры. Когда камера приходит в верхнее положение, система подачи газа в по-

дающий патрубок автоматически переключается с аргона на азот.

Общее время обработки металла на установке RH составило 27 минут.

Перед отправкой на разливку температура металла была равной 1590оС. Металл содержал 0,45% C; 0,80% Mn; 0,30% Si; 0,030% Al и 2 ppm водорода.

6.4Технология обезуглероживания металла без использования кислорода

Последовательность технологических операций при обезуглероживании металла в агрегатах RH в целом аналогична описанной ранее, но отличается следующими особенностями.

При производстве стали с низким и ультранизким содержанием углерода присадку раскислителей и легирующих в ковш во время выпуска плавки не проводят.

Понижение давления может сопровождаться интенсивными всплесками металла внутри вакуумной камеры. Поэтому, если в компьютере отсутствует режим, позволяющий минимизировать всплески, эжектор №2 рекомендуется включать только после того, как прекратится изменение давления при работе эжектора №3. То же самое относится к эжектору №1. Расход аргона можно уве-

личивать только после достижения в камере низкого давления.

Особенность рассматриваемого способа обезуглероживания металла за-

ключается в том, что оно протекает за счет растворенного в металле кислорода,

концентрация которого обратно пропорциональна концентрации углерода в ме-

талле.

Поэтому при исходном содержании углерода 0,06 – 0,08% концентрация