1 Общие сведенья об агрегате циркуляционного вакумирования
Агрегат циркуляционного вакуумирования – технологическая установка для вакуумирования стали. Установка состоит из футерованной огнеупорами вакуум камеры и двух прикрепленных к днищу этой камеры погружных патрубков (вводной и выводной). Оба патрубка футерованы изнутри огнеупорным кирпичом, а нижние участки имеют и наружную футеровку. Вводной патрубок в нижней части оборудован инжекционными газовыми трубками, равномерно распределенными по его периметру (см. рис. 1).
Вакуумную обработку металла применяют для решения нескольких задач: удаления газов (кислорода, водорода, частично азота), очищение от неметаллических включений, понижение содержания углерода в металле, улучшение макро- и микроструктуры металла, и, вместе с этим, повышение механических свойств и пластических характеристик его.
Рисунок 1 – Агрегат циркуляционного вакуумирования
1.1 Проблемы, решаемые с помощью АЦВ. Вредное влияние газов и почему дегазация необходима
Водород. Растворимость водорода в металле для различных аллотропических модификаций железа не одинакова (см. рис. 2). При переходе металла из одного аллотропического состояния в другое скачкообразное изменение растворимости вызывает усиленное выделение из него водорода, сплошность металла нарушается, образуются такие дефекты, например, как газовые пузыри. Оставшийся в твердом растворе водород нарушает целостность кристаллической решетки металла, вследствие чего его хрупкость возрастает, а пластичность уменьшается, качество металла ухудшается [1].
Рисунок 2 – Зависимость растворимости водорода в различных модификациях железа от температуры металла
Азот. Азот в стали вызывает старение, оно может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения из него нитридов железа. В результате старения ударная вязкость может снижаться до 6 раз. Поэтому склонность к старению является существенным пороком стали, с которым нещадно борется современная металлургия. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием [1].
Результаты исследований, приведенные в виде изобары на рисунке 3, показывают, что растворимость азота в стали резко уменьшается при кристаллизации и во время превращения ?-железа в ?-железо.
Рисунок 3 – Зависимость растворимости азота в различных модификациях железа от температуры металла
1.2 Неметаллические включения и как от них избавиться. Вакуумно-кислородное рафинирование
В процессе прохождения кристаллизации и охлаждения метала неизбежно выпадение инородных включений с образованием различных химических соединений в самостоятельную фазу в виде НВ, фиксируясь в объеме твердой стали. Неметаллическими включениями называют содержащиеся в стали оксиды металлов (кремния, железа, марганца) с неметаллами (фосфором, серой, кислородом, и т.д.). Удаление таких включений возможно с помощью вакуумно-кислородного рафинирования.
Вакуумно-кислородное рафинирование возможно при продувке металлического расплава кислородом в вакуумкамере. Данную систему наиболее рационально использовать при производстве нержавеющих марок сталей с особо низким содержанием углерода (принудительное обезуглероживание) или для химического подогрева жидкого металла в сочетании с добавлением раскислителей (в этом случае процесс называют вакуумной дегазация с кислородной продувкой). Вакуумный насос системы должен обладать повышенной производительностью, для большего откачивания объема отходящих газов.
Обстоятельный анализ разложения окисных неметаллических включений выполнили А. Ф. Вишкарев и В. В, Кондаков. В их работе процесс разрушения окисных включений в вакууме рассматривается как состоящий из следующих стадий:
1) Массоперенос углерода к поверхности включений;
2) Адсорбция углерода на межфазной поверхности металл неметаллические включения;
3) Химическая реакция восстановления включений:
?Ме?_т O_n+n[C]=m[Ме]+n?CO?_г;
4) Образование пузырьков окиси углерода и удаление их из металла.
Металлургические преимущества этой схемы:
–ускоренное производство сверхнизкоуглеродистых марок стали;
–возможность работы при различном исходном содержании углерода;
–возможность использования более дешевых высокоуглеродистых легирующих добавок;
–низкое парциальное давление позволяет снизить потери хрома из-за окисления при производстве нержавеющей стали;
–возможность проведения химического нагрева;
– низкое конечное содержание растворенных газов;
–повышенная чистота стали по неметаллическим включениям;
–достижение точных плановых показателей состава.
1.3 Влияние растворенного кислорода. Особенности
вакуумно-углеродного раскисления
.Общеизвестный факт, что на качество поверхности и внутренней структуры стального слитка и, как следствие, готовой продукции, существенное влияние оказывает окисленность металла, т.е. количество растворенного в жидкой стали кислорода. Если в момент начала кристаллизации стали содержание кислорода превышает максимальную его растворимость в твердом металле, избыточное количество кислорода может выделяться из пересыщенного раствора в виде газообразного оксида углерода и неметаллических включений. Задача процесса раскисления состоит в получении в готовой стали возможно меньшего количества неметаллических включений и придания им благоприятной формы и свойств [2].
Окисление углерода описывается уравнением
[C]+[O] ? {CO},
Константа равновесия этой реакции
К_р=P_со/(a_с a_о )=P_со/([C]f_с [O]f_о ).
Температурная зависимость её имеет вид
K=1160/T+2.
Поскольку вакуумной обработке подвергается металл с незначительным содержанием серы, фосфора, марганца и других элементов, при малом содержании углерода их влияние на активность углерода можно пренебречь. Тогда константа равновесия реакции может быть записана в следующем виде:
К_р=P_со/([C][O] ).
Согласно этому уравнению величина произведения [C]·[O] зависит от парциального давления оксида углерода. При снижении P_(со ) произведение [C]·[O] будет пропорционально уменьшаться, поэтому окисление углерода в вакууме должно сопровождаться снижением концентрации кислорода в стехиометрическом соотношении, т.е. одновременным раскислением металла.
Раскислительная способность углерода при вакуумировании по сравнению с обычными условиями возрастает в 10-20 раз, содержание кислорода понижается на 70-82% (см. табл. 1).
Таблица 1 – Снижение содержания кислорода при углеродном раскислении различных групп стали
Сталь Снижение содержания кислорода
Низкоуглеродистая сталь с 0,02-0,10% до 0,0025-0,010%
Среднеуглеродистая сталь с 0,15-0,30% до 0,002-0,008%
Высокоуглеродистая сталь с 0,6-0,7% до 0,0005-0,0020%
При интенсивном кипении ванны в результате вакуумного раскисления углеродом сопутствующим процессом является дегазация металла, т.е. удаление растворенных водорода и азота, что решает ещё одну весьма важную проблему сталеплавильного производства (см. табл. 2). Этот процесс можно интенсифицировать повышением площади соприкосновения металла с разряженной атмосферой футерованной огнеупорами камеры циркуляционного вакууматора.
Таблица 2 – Снижение содержания водорода в различных сталях при вакуумном раскислении углеродом
Сталь Число плавок Содержание водорода, 10^4% Снижение содержания водорода, % (отн)
До обработки После обработки
Низкоуглеродистая кипящая 30 (3,0-7,0)/4,5 (1,0-3,0)/2,3 49,4
Среднеуглеродистая кипящая 37 (2,5-7,8)/4,6 (1,0-3,0)/2,1 55,1
Высокоуглеродистая 31 (2,0-6,0)/3,9 (1,1-3,0)/1,9 52,1
В числителе приведены минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние значения.
По сравнению с водородом удаление азота незначительно и составляет 10-20%. Это связано с тем что коэффициент массопереноса азота в 6 раз меньше коэффициента массопереноса водорода.
2 Назначение агрегата циркуляционного вакуумирования
Агрегат ковш-печь или установка ковш-печь — это звено в единой технологической схеме с конвертерами. Предназначен для доведения металла в ковше после его выпуска из плавильного агрегата до заданной температуры и химического состава (см. рис. 4).
Рисунок 4 – Агрегат «печь-ковш»
2.1 Общая технология производства стали на АПК
В процессе обработки металла в АПК происходит:
– усреднения расплава по химическому составу и температуре путем перемешивания за счет продувки расплава инертным газом;
– корректировки химического состава путем ввода кусковых ферросплавов, алюминиевой катанки и порошковой проволоки с различными наполнителями;
– нагрева металла с помощью погруженных в шлак электродов;
– наведения основного шлака и удаление неметаллических включений путем поглощения их шлаком;
– защиты инертным газом и шлаком поверхности расплава от окисления;
– десульфурации;
– модифицирования стали.
Все шаги по доводке химического состава и температуре выполняются исключительно в ковше. Такая схема, как показывает практика, делает процесс выплавки и разливки стали более экономичным, расширяет сортамент продукции, а также обеспечивает наиболее полное совмещение процесса выплавки и разливки стали [3].
2.2 Влияние серы на металл. Десульфурация в АПК
Сера в жидкой стали находится в элементарном виде в форме квазимолекул Fe–S. Даже в чистом сплаве Fe–S в группировках атомов обоих типов и в совместном их перемещении внутри металла или переходе из металла в шлак атомы железа сопутствуют атомам серы в эквивалентном количестве чаще, чем это можно было бы ожидать на основании предположения о беспорядочном строении расплава и существовании серы лишь в элементарном состоянии.
Еще в большей степени это относится к сплавам, содержащим одновременно марганец и серу. При охлаждении таких сплавов, даже выше точки их кристаллизации, при достаточно высокой концентрации марганца происходит обособление сульфидной фазы переменного (в зависимости от температуры и содержания марганца) состава mFeS, nMnS.
При низких концентрациях марганца выделение сульфидной фазы, как это видно на рисунке 5 происходит лишь при превращении ?Fe–?Fe, что приводит к общеизвестному явлению красноломкости металла (свойство металла давать трещины при горячей обработке давлением). По составу эта сульфидная фаза соответствует эвтектике Fe–FeS (см. рис. 5) с температурой плавления 985°С.
Рисунок 5 – Диаграмма состояния сплавов Fe–S
При одновременном присутствии кислорода и серы выделяются тройные эвтектики, которые содержат при температуре плавления 920°С 67% Fe, 24% S и при 1320°С 81,5% Fe и 16,5% S. Этим объясняется вредное влияние серы на деформируемость стали при обычных температурах ковки и прокатки. Поэтому борьба с серой является одной из основных задач сталевара.
Десульфурация металла в процессе обработки на АПК производится на группах марок стали спокойного, полуспокойного и низколегированного сортамента. Для проведения глубокой десульфурации металла необходимо выполнение следующих условий:
– проведение интенсивной продувки металла и шлака аргоном через донные продувочные устройства;
– наведение рафинировочного шлака оптимального состава толщиной от 200 до 250 мм (определяют визуально), который должен иметь нормальную жидкоподвижность, низкое содержание окислов железа и марганца (менее 1%, светло-серый цвет);
– проведение раскисления металла и шлака (алюминиевыми гранулами или пирамидками) до получения окисленности металла 1,5 ppm и менее;
– проведение дополнительной десульфурации за счет вдувания порошкообразного силикокальция или ввода порошковых кальцийсодержащих проволок.
Для обеспечения заданной степени десульфурации массовые доли серы после усреднительной продувки и в готовой стали должны находиться в пределах в соответствии с требованиями таблицы 3.
Таблица 3 – Заданная степень десульфурации и массовые доли серы после усреднительной продувки и в готовой стали
Степень десульфурации
Массовая доля серы, %
Начальное значение*
Конечное значение
Десульфурацией белым шлаком
0,020-0,030 0,0068-0,0102
0,010-0,0199 0,004-0,008
0,0050-0,0099 0,002-0,004
0,0040-0,0049 0,0016-0,002
Десульфурацией белым шлаком и обработкой порошкообразным SiCa 0,008-0,010 0,0016-0,0020
0,004-0,005 0,0008-0,0010
При содержании серы в первой пробе выше требуемого производится десульфурация на УПК основным белым шлаком. При обработке стали с заданным содержанием кремния не более 0,05%, для раскисления шлака на его поверхность присаживают алюминий гранулированный марки АГ-1. При этом следует учитывать, что при раскислении шлака происходит восстановление кремния из шлака в металл на 0,01-0,03%. При обработке стали с заданным содержанием кремния более 0,05%, для раскисления шлака присаживают пирамидки алюминиевые вторичные (или гранулы алюминиевые вторичные).
Производится электронагрев металла, во время которого для наведения высокоосновного шлака присаживаются шлакообразующие материалы. Электронагрев должен обеспечить полное растворение шлакообразующих материалов и получение жидкоподвижного рафинировочного шлака. После наведения шлака устанавливается максимально-возможный расход аргона на донные пробки, исключающий выплески металла и шлака.
Продолжительность продувки после наведения шлака должна составлять от 10 до 15 минут. В период проведения десульфурации рекомендуется поддерживать содержание алюминия в металле близкое к верхнему марочному пределу.
Признаком проведения десульфурации является раскисление металла и шлака (алюминиевыми гранулами или пирамидками), а также вдувание порошкообразного силикокальция (или ввода порошковой проволоки с силикокальцием).
2.3 Подогрев металла
В течение всего процесса производства стали металл неоднократно подвергается обработкам в различных металлургических агрегатах. Перемещения по цеху, простои, введение легирующих компонентов могут значительно снизить температуру жидкого полупродукта, даже ниже теоритический температуры ликвидуса, что часто приводит к различным проблемам при разливке на машине непрерывного литья заготовок, или УНРС таким как внутренние и внешние дефекты слябов, а также к замерзанию потока металла в стакане дозаторе промежуточного ковша или шиберном затворе стальковша. Такие проблемы влекут за собой увеличенный процент брака. Чтобы нивелировать этот вредный фактор на установке печь ковш используется электродуговой подогрев металла графитовыми электродами (см. рис. 5).
Рисунок 5 – Графитовые электроды агрегата «печь-ковш»
Во время обработки жидкого металла на установке «печь-ковш» электроэнергия передается через графитовые электроды и с помощью электродуги расплаву. Чтобы по возможности снизить потери активного сопротивления в электродах, они должны обладать хорошей электропроводимостью. Кроме того, они должны соответствовать следующим требованиям:
–высокая сопротивляемость по отношению к температурам внутри печи;
–невосприимчивость к смене температур;
–достаточная механическая прочность;
–хорошая устойчивость к окислению кислородом воздуха.
Графитовые электроды изготавливаются из особого сорта кокса (менее 1% содержания золы) [4].
Но несмотря на все вышесказанное электроды являются расходным материалом и при обработке стали часть углерода переходит в металл(около 1%). Таким образом при получении низкоуглеродистых марок сталей после агрегата «печь-ковш» в технологическом маршруте необходима дополнительная обработка на агрегате циркуляционного вакуумирования.
2.4 Корректировка химического состава
Что бы металл соответствовал требуемому химическому составу на АПК производят корректировку химического состава. Процесс соответствует аналогичному на установке доводки металла и включает в себя ввод таких компонентов:
– алюминиевая катанка;
– ферросплавы;
– углеродосодержащая порошковая проволока;
– ферробор, феррованадий, феррониобий и ферротитан.
Не допускается смешивать раскислители и легирующие материалы разных видов (марок) при загрузке в расходные бункеры.
Корректировку массовой доли алюминия производят алюминиевой катанкой (см. рис. 6) из расчёта: 55 м алюминиевой катанки вносят 0,010% алюминия через трайб-аппарат (см. рис. 7).
Несмотря на высокую стоимость чистого алюминия, его высокие раскисляющие свойства являются не позволяют от неё отказаться.
Рисунок 6 – Алюминиевая катанка
Рисунок 7 – Трайб-аппарат АПК
При вводе алюминиевой катанки продувку металла аргоном сверху прерывают на весь период ввода. При работающих донных продувочных устройствах допускается продолжать продувку с минимальным расходом, не допуская бурления покровного шлака. Скорость ввода алюминиевой катанки должна быть не менее 6 м/c.
Ферросплавы присаживают в металл в кусковом виде во время продувки аргоном по расчету согласно таблице 4 (при наличии технической возможности, с учетом массы металла в сталеразливочном ковше по показаниям электротензометрических крановых весов).
Таблица 4 – Вносимая массовая доля элемента в металл в зависимости от массы и вида ферросплава
Ферросплав Вносимый элемент
Наименование Марка Масса, кг на плавку Наименование
Массовая доля, %
Ферромарганец (высокоуглеродистый) ФМн 70 25 Mn C 0,01
ФМн 78 20 Mn 0,002
Ферромарганец (среднеуглеродистый) FeMn 80 20 Mn 0,01
Марганец металлический Мн95
Мн965 18 Mn 0,01
Силикомарганец МнС 17 25 Mn 0,01
Si 0,003
Марганец азотированный Мн 87Н6
Мн 92Н6 100 Mn 0,05
N 0,001
Ферросилиций ФС 65 25 Si 0,01
Феррохром ФХ 200 25 Cr 0,01
Феррофосфор ФФ 25-1 80 P 0,01
Ферротитан ФТи 30 100 Ti 0,01
ФТи 70 40
Окончание таблицы 4
Феррованадий ФВо 60 30 V 0,01
FeV80 22 V 0,01
Феррониобий ФНб 60 30 Nb 0,001
Ферробор ФБ 20 12 B 0,01
Олово О3,О4 15 Sn 0,01
Сурьма Су2 15 Sb 0,01
Углеродсодержащий материал (коксик, графит и их аналоги) для корректировки вводят в металл в виде порошковой проволоки диаметром от 9 до 16 мм трайб-аппаратом с регулируемой скоростью подачи.
Корректировку массовой доли углерода в металле производят из расчета: 18 кг порошка-наполнителя (коксика) или 15 кг графита вносят 0,01% углерода в металл, при этом температура металла снижается на 5°С (масса порошка наполнителя и длина порошковой проволоки в бухте указаны в сопроводительных документах).
Порошковую проволоку вводят порциями, величина которых вносит не более 0,03% углерода в металл. При вводе порошковой проволоки продувку металла аргоном прерывают (при наличии густого покровного шлака допускается начинать ввод проволоки с углеродсодержащим наполнителем совместно с продувкой металла аргоном), между порциями производят усреднительную продувку в течение 1-2 мин.
Ферробор вводят в металл в кусковом виде во время продувки аргоном или в виде порошковой проволоки без продувки аргоном. Размер кусков ферросплавов должен быть не более 100 мм.
Феррониобий вводят в металл в кусковом виде или в банках во время продувки аргоном, в виде порошковой проволоки без продувки аргоном. Феррониобий ФНб60 в герметичных банках (массой 10 кг) используется при легировании на сортаменте с содержанием ниобия до 0,030%, а также при обрыве порошковой проволоки или смены бухты. Расход феррониобия в банках устанавливают из расчета, что присадка одной банки (10 кг феррониобия ФНб60) приводит к увеличению содержания ниобия в стали на 0,0035%.
Порошковую проволоку с наполнителем феррониобий FeNb60 вводят в металл из расчета, что 3,0 кг порошка-наполнителя вносят 0,001% ниобия.
Ферросплавы для корректировки вводят порциями не более 300 кг.
После ввода последней порции присаживаемых материалов металл продувают аргоном не менее 3-х мин.
