2. Производство стали с ультранизким содержанием углерода.

Для производства стали с ультранизким содержанием углерода применяют циркуляционное и порционное вакуумирование, а также процессы VAD и VOD с использованием в каждом из этих процессов специальных технологических приемов.

При содержании углерода < 0,1 % скорость его окисления определяется массопереносом углерода и может быть описана уравнением (20), в котором (в рассматриваемом случае) С - содержание углерода. В соответствии с уравнением (20) для глубокого обезуглероживания необходимо обеспечить высокую интенсивность массопереноса k и большую относительную поверхность металла F/V.

При циркуляционном вакуумировании интенсивность массопереноса можно увеличить, увеличивая скорость рециркуляции металла в процессе обработки. Скорость рециркуляции v пропорционально внут­реннему диаметру подъемного патрубка D в степени 1,8 (v = cD^1,8). Поэтому для увеличения скорости рециркуляции и соответственно интенсификации массопереноса углерода с целью глубокого обезуг­лероживания увеличивают диаметр подъемного патрубка.

Эффективным способом повышения коэффициента массопереноса k при циркуляционном вакуумировании является также увеличение скорости подачи аргона. Поэтому при производстве ультранизкоуглеродистой стали эту скорость доводят до 0,05 м³/(т·мин). При этом в течение 20 мин удается получить С < 0,0015 %.

Коэффициент массопереноса k пропорционален мощности перемешивания: k = уе¹⁶, где у - константа; е - удельная энергия перемешивания, Вт/т. В случае перемешивания газом энергия перемеши­вания пропорциональна скорости подвода газа. Следовательно, что­бы, например, удвоить коэффициент массопереноса k скорость подво­да газа необходимо увеличить в 64 раза. В процессе циркуляционного вакуумирования это невозможно. Поэтому необходимо использовать и другие методы увеличения константы скорости обезуглероживания. Для этого можно увеличить поверхность раздела газ-металл, роль ко­торой значительно возрастает при особо низком содержании углерода вследствие малой вероятности не только гомогенного, но и гетеро­генного зарождения пузырей СО на межфазной поверхности и их за­медленного роста.

В промышленных условиях опробовали продувку через восемь сопел из нержавеющей стали, расположенных в нижней части боковой стенки вакуум-камеры (рис. 1). Расход аргона, вдуваемого во всасывающий патрубок, составлял 2,5 м³/мин, а вдуваемого в вакуум-камеру через сопла 0,8 м³/мин. Так как коэффициент массопереноса пропорционален мощности перемешивания лишь в степени 1/6, вдувание такого количества аргона в вакуум-камеру не оказало заметного влияния на скорость циркуляции. Между тем, такая продувка существенно повлияла на скорость и степень обезуглероживания (рис. 2). Это можно объяснить увеличением поверхности газа при рассредоточенной продувке аргона в вакуум-камеру, которая была в 1,6 раза больше, чем без такой продувки.

Рис. 1. Расположение сопел Рис. 2. Изменение содержания угле-

для вдувания аргона в при- рода в стали в процессе циркуляцион-

донной части вакуум-камеры ного вакуумирования: 1 – обычного;

циркуляционного вакууматора 2 – продувкой аргоном через боковые

придонные фурмы

При обычной технологии порционного вакуумирования сталь с ультранизким содержанием углерода получить очень трудно. Это можно сделать, вдувая в металл, находящийся в вакуум-камере, аргон. При этом, однако, рассредоточенный подвод аргона непосредственно в вакуум-камеру (аналогично циркуляционному вакуумированию) осуществить трудно, не выпуская аргон в атмосферу во время той части цикла, когда металл вытекает из камеры. Поэтому при порционном вакуумировании аргон вдувают в патрубок через четыре расположенные радиально фурмы. Вследствие того что при этом поверхность взаимодействия пузырьков с металлом меньше, чем в рассмотренном выше циркуляционном вакуумировании, меньше и скорость, и степень обезуглероживания. Тем не менее, при значительном расходе аргона и большом количестве циклов обработки можно получить сталь с ультранизким содержанием углерода. Для получения стали с ультранизким содержанием углерода ме­тодом вакуум-дуговой дегазации - VAD (англ. Vacuum Arc Degasing) требуется длительная (35-45 мин) обработка в глубоком вакууме (0,2-0,5 кПа) и интенсивное перемешивание аргоном (0,012-0,015 м³/(т·мин)). Продувку металла в ковше в течение всего процесса VAD производят через донные пробки. В процессе вакуумирования содер­жание кислорода понижается до 0,0015-0,0028 %.

Процесс VAD-PB (англ. PB: Powder Blowing - продувка порошком) по существу разработан с учетом отмеченного выше влияния поверхностного эффекта на обезуглероживание при ультранизком со­держании углерода. Особенность этого процесса в том, что в металл (в отличие от процесса VOD) вдувается не газообразный кислород, а являющиеся источником кислорода частицы дисперсной железной руды, т.е. оксидов железа (Fe₂O₃) на которых происходит зарождение образующихся при окислении углерода пузырьков СО. На этих час­тицах и в непосредственной близости от них возникает высокий окислительный потенциал, что в условиях чрезвычайно развитой на дисперсных частицах оксидов железа поверхности вызывает интенсивное и глубокое обезуглероживание.

Процесс VAD-PB, как и VOD, проводят рафинированием в ковше, в который сливают расплавленный металл, содержащий менее 0,01% углерода. Ковш помещают в вакуум-камеру, в которой поддерживают давление на уровне 13-50 Па. В днище ковша установлена пористая пробка для продувки металла аргоном. Сверху через крышку вакуум-камеры плотно введены фурма для отбора проб и измерения температуры, а также фурма для вдувания порошка в токе аргона (в процессе VOD она служит для продувки кислородом).

Порошок железной руды (0,4-0,7 кг/(т·мин)) вдувают через фурму, срез которой расположен на высоте 600 мм над поверхностью металла. Расход аргона, используемого в качестве несущего газа, составляет 0,10 м³/(т·мин). Для интенсификации процесса и гомогенизации всей массы металла в ковше в течение всего процесса и 3–4 мин после его завершения и раскисления металл продувают снизу аргоном при расходе 1-2 м³/(т·мин).

Продувка металла в вакууме порошком железной руды (процесс VAD-PB) по сравнению с окислением газообразным кислородом (процесс VOD) обеспечивает более быстрое и более глубокое обезуглероживание при ультранизком содержании углерода. В процессе VAD-PB содержание углерода в конце продувки понижается до (6–10)^–4 %, тогда как при процессе VOD оно менее 10^–3 % не понижалось.

Ультранизкое содержание серы ((2-4)-10~⁴ %) в процессе VAD-PB достигается продувкой металла порошком смеси CaO-CaF₂. Коэффи­циент распределения серы между шлаком основностью 2Д и метал­лом достигает при этом 200-400, что выше, чем при обычной продув­ке аргоном через пористые пробки.

Рис. . Содержание азота в стали после циркуляцион­ного вакуумирования с рас­ходом аргона: 1 — 0,0082; 2- 0,03-0,05 м /(тмин)

Получение ультранизкого содержания азота в стали в значитель­ной мере задача конвертерных процессов. Вместе с тем обработкой в вакууме (циркуляционное вакуумирование, процесс VAD) с интен­сивной продувкой аргоном удается понизить содержание азота до < 0,003 % (рис.). Для лучшей деазотации необходимо понизить ак­тивность кислорода в металле.