Металлургия черных металлов (Учебник для техникумов)

Линчевский Б.В

Металлургия, 1986 г.

§ 2. Обработка жидкой стали в вакууме

Методы вакуумнойобработки позволяют единовременно обрабатывать под вакуумом сотни тонн стали. Производительность таких установок намного выше любого из способов печной вакуумной металлургии. Рассмотрим основные способыобработки жидкой стали в вакууме.

Вакуумирование стали в ковше

Принципиальная схемаспособа представлена на рис. 92. После выпускастали из сталеплавильной печи ковш с металлом устанавливают в вакуумную камеру. Камера представляет собой металлический цилиндр, расположенный в бетонированной яме в полу цеха. Диаметркамеры несколько больше диаметра ковша. Стенки и дно камеры выложены огнеупорным кирпичом. Сверху камера герметично закрывается крышкой. Между корпусом камеры и крышкой имеется вакуумноеуплотнение в виде ленты или трубки из вакуумной резины. В корпусе камеры имеется отверстие для вакуумпровода, по которому производится откачка воздуха и газов, выделяющихся из металла при обработке в вакууме. Для создания разрежения применяются пароэжекторные насосы высокой производительности (до 10000 М3/мин). На крышке камеры установлены устройства для наблюдения за процессом обработки, дозаторы для присадки добавок. После установки в камеруковша с жидким металлом ее закрывают крышкой и откачивают из камеры воз-Дух до давления 6,5—15,0 Па. При понижении давления из металла выделяются растворенные в нем азот и водород, и, если металл не раскислен, начинает бурно протекать реакция взаимодействия растворенных углерода и кислорода. Сталь, предназначенная для вакуумирования в ковше, не рекомендуется предварительно раскислять кремнием или алюминием. Продолжительность обработки составляет 10—15 мин. За это время происходит раскисление стали, частичная ее дегазация, удаление неметаллических включений. Благодаря перемешиваниюметалла усредняется химический составстали и выравнивается температура. Этот метод используется для получения пластичной стали, применяемой для автомобильного листа и для некоторых марок конструкционной и электротехнической стали.

Однако применение вакуумированиястали в ковше мало пригодно для повышения степени чистоты спокойной, раскисленной стали, так как большая глубинаметалла в ковше не позволяет полностью использовать реакции раскисления сталиуглеродом и дегазациюметалла в глубинных слоях.

Обработка струи стали

Метод обработкиметалла в струе при отливке крупных слитков или при переливе из ковша в ковш, стоящий в вакуумной камере, позволяет более эффективно обрабатывать сталь. На рис. 93 представлена схемаустановки для отливки крупных слитков в вакууме. На крышке вакуумнойкамеры устанавливают промежуточ ный ковш, вакуум-плотно присоединенный к крышке. Емкость этого ковша составляет 5—10 т. отверстие между промежуточным ковшом и камерой до начала вакуумной разливки закрывают листом алюминия. Внутрь камеры устанавливают изложницу или пустой ковш. Перед началом разливки в камере создают разрежение. В промежуточный ковш наливают сталь из разливочного ковша и открывают стопор промежуточного ковша. Струя стали прожигает листалюминия и попадает в вакуумную камеру. В вакууме газы, выделяются из металла, активно идет реакция [С] + + [О]=СО. Выделяющиеся газы разрывают струю стали на мелкие капли, что значительно увеличивает поверхность раздела жидкого металла с газом, а следовательно, повышает эффективность вакуумной обработки. Выделение газов продолжается из стали, налитой в изложницу. После заполнения изложницы в камеру напускают воздух, открывают крышку и после полного затвердевания слитка вынимают изложницу со слитком из камеры. Преимущество этого метода заключается в том, что слиток отливается в вакууме, в то время как в других способах после вакуумнойобработкисталь разливают по изложницам на воздухе.

Метод отливки крупных слитков в вакууме широко применяется для производства ответственных поковок, предназначенных для изготовления коленчатых и гребных валов судов, роторов крупных турбин электростанций, генераторов, прокатных валков, деталей атомного энергомашиностроения. Большое значение для таких ответственных и дорогостоящих поковок и изделий имеет отсутствие скоплений неметаллических включений, флокенов, пористости, приводящих к преждевременному их разрушению. Поскольку водород вызывает появление флокенов, водороднойхрупкости и пористости, то обычно крупные поковки подвергают обезводороживающему отжигу в течение сотен часов, однако полностью опасность появления дефектов, связанных с водородом, не устраняется. Только вакуумнаяОбработка гарантирует устранение этих дефектов.

Метод порционной вакуумнойобработки DH

Эффективным способомдегазациистали является метод DH. Процесс заключается в следующем. Вакуумнаякамера грушевидной формы и небольшого объема  помещается над ковшом с металлом (рис. 94). Снизу камеры имеется патрубок, стенки которого снаружи и внутри защищены огнеупорным материалом. К верхней части камеры подходит вакуумпровод, связывающий камеру с вакуумными насосами. На крышке имеются устройства для введения внутрь камеры легирующих и раскислителей. Перед началом вакуумнойобработкиотверстие патрубка закрывают листом алюминия. В камере создают разрежение. Патрубок погружают в металл. Под действием атмосферного давлениясталь затекает внутрь камеры и порция стали, составляющая по массе примерно одну десятую от массыстали в ковше, подвергается вакуумной обработке. Затем камеру поднимают, но так, чтобы конец патрубка не выходил из жидкого металла. При этом часть стали из камеры выливается в ковш. При следующем опускании камеры вниз в нее попадает новая порция металла. Во время вакуумнойобработки присаживают порции ферросплавов и легирующих. металл хорошо перемешивается. Для обеспечения полной дегазации и перемешивания легирующих добавок необходимо 30—60 цикловвакуумной обработки. Таким способом обрабатываются ковши со стальюмассой до 400 т.

Циркуляционная вакуумнаяОбработка RH

Высокой эффективностью обладает способ циркуляционной вакуумной обработки. Схемаустановки показана на рис. 95. Жидкая сталь из разливочного ковша по всасывающей трубе поднимается в вакуумную камеру, подвергается воздействию низкого давления и по второй трубе стекает в ковш. Камера представляет собой цилиндрический сосуд, в нижней части которого имеются две трубы, футерованные огнеупорными изделиями. При помощи вакуумпровода она подсоединена к откачной системе. Перед началом вакуумнойобработки создают вакуум, для чего концы труб закрывают листами алюминия, которые атмосфернымдавлением плотно прижимаются к трубам. Затем камера на кронштейне поворачивается и располагается над уровнем металла в ковше. После опускания трубы погружаются в металл, и под действием атмосферного давлениясталь поднимается по обеим трубам в камеру. В одну из труб на некотором расстоянии от уровня шлака подают по трубе аргон.

Пузыри аргона поднимаются в жидкой стали в сторону вакуумной камеры, где поток пузырей аргона создает необходимое добавочное усилие, которое вызывает движениестали по этой трубе. Таким образом возникает непрерывная циркуляция стали. По одной трубеметалл входит в камеру, по другой он сливается в ковш. За время пребывания в установкесталь подвергается действию вакуума и дегазируется. По ходу вакуумнойобработки присаживают раскислители и легирующие, которые хорошо перемешиваются в объеме жидкого металла. Количество аргона, используемого для транспортировки стали невелико и составляет 5—10 % от общего количества газа, выделяющегося из стали в результате вакуумирования. Скорость подъема стали в трубе достигает 5 м/с, поэтому втекающая в камеру струя металла фонтанирует на высоту до 1 м, что способствует эффективной обработке стали. Продолжительность дегазации зависит от массыметалла в ковше. Для обработки 100-т ковша требуется 20—30 мин. Во время вакуумнойобработкитемператураметалла снижается на 30—40 °С. Для компенсации потери тепла камеру перед обработкой прогревают и перегреваютсталь перед выпуском из печи.

Вакуумная установкаковш — печь (метод. ASEA—SKF)

Вакуумирование проводят в ковше из немагнитной стали, установленном в индукторе. Верхняя часть ковша имеет фланец для герметичного соединения с вакуумной крышкой рис. 96. Крышка патрубком соединяется с вакуумной системой. На одном стенде этой установки расположен свод с тремя электродами, имеется соответствующее электрическое оборудование дуговой печи. сталь выплавляют в дуговой печи без восстановительного периода. Из легирующих вводят только молибден и никель, контролируют содержание углерода. Шлак перед выпуском удаляют. стальвыпускают в ковш, который устанавливают в индуктор, закрывают крышкой и вакуумируют. За время вакуумнойобработкисталь остывает на 80 °С. В конце дегазации присаживают легирующие. вакуумную крышку отводят в сторону и ковш накрывают сводом с электродами. Включают ток и нагревают металл дугами в течение часа. В этот же период, если необходимо, обрабатывают металл порошками, корректируют химический состав. По достижении нужной температуры и состава снимают свод. ковш вынимают из индуктора и отправляют на разливку. Этот метод повышает степень чистоты стали и увеличивает   производительность  дуговых

печей.

§ 3. Специальные методы электрометаллургии

Плазменная плавка

В последние годы появилась плавкаметалла при помощи электрической плазмы, т. е. ионизированного газа. Рассмотрим   один   из вариантов плазматрона (рис. 97). Он состоит из внутреннего стержня — электрода — и наружного электрода, расположенного соосно с внутренним, имеющим форму сопла. При постоянном токе внутренний электрод служит катодом, а сопло — анодом. поток газа, подаваемый в камеру плазматрона, выдувает дугу, горящую между катодом и анодом в сопловоеотверстие наружу. Плазменная дуга направляется на нагреваемый объект. Электрический разряд между катодом и анодом ионизирует газ, образуется низкотемпературная плазма с температурой до 30000 К. Газ нагревается внутри канала сопла и с большой скоростью вырывается из сопла в виде факела. Стенки сопла изолированы от плазмы тонким слоем холодного неионизированного газа, который служит также электрическим изолятором.