Агрегаты ВПО, Классификация. Особенности конструкции, технологические возможности

В процессе внепечной обработки стали происходит охлаж­дение металла, что, естественно, ограничивает продолжительность обработки. Компенсация теплопотерь осуществляется различными способами. В этом плане агрегаты, используемые для целей внепечной обработки стали, условно можно разбить на несколько групп:

1) агрегаты без дополнительного подогрева или подачи тепла в процессе обработки. К таким агрегатам относятся установ­ки для обработки вакуумом различными методами, установки вве­дения в металл реагентов в виде порошка, проволоки, блоков, уста­новки типа накрытого крышкой ковша при продувке металла инертным газом;

2) агрегаты, в которых подвод тепла осуществляется в ре­зультате окисления железа и примесей при продувке кислородом (например, конвертер АОД - процесса, конвертер VODC, RН-ОВ, RHO и др.);

3) агрегаты, в которых подвод тепла осуществляется с по­мощью электроэнергии.

Электродуговой подогрев металла. Наиболее распространен­ными способами, позволяющими подогреть металл в процессе об­работки, являются АSЕА-SKF -процесс, внедренный в Швеции в 1964 г. и более простой Finkl -процесс (США). Установка АSЕА-SKF (рис. 4.1) состоит из ковша, кожух которого изготовлен из немаг­нитной нержавеющей стали, устанавливаемого после слива в него металла на сталевоз с индуктором для электромагнитного переме­шивания. Ковш оборудован двумя съемными крышками: крышкой-сводом с тремя электродами для дугового обогрева и вакуумплотной крышкой, соединенной с системой вакуумных насосов. Ковш пе­ремещают под одну и другую крышки по мере необходимости на­грева после присадки шлакообразующих и последующего вакуумирования. Такой способ, конечно, сложен и дорогостоящ, однако высокое качество металла оправдывает затраты и поэтому он полу­чил достаточно широкое распространение.

По некоторым данным качество стали, обработанной на установках этого типа, может быть сравнимо с качеством стали электрошлакового переплава. В нашей стране установки типа АSЕА-SKF работают в сталеплавильных цехах некоторых заводов тяжелого и энергетического машиностроения, где отливаются крупные слитки для изготовления роторов турбин электростанций и других ответственных изделий.

Если в методе АSЕА-SKF используется индукционное пере­мешивание, то в Finkl -процессе перемешивание осуществляется бо­лее простым способом - продувкой аргоном; при этом ковш нахо­дится в стационарном положении, что упрощает обработку металла при производстве его в больших количествах. Установки типа АSЕА-SKF - это уже не просто ковши, а металлургические агрегаты, в которых проводятся определенные металлургические операции. Сам процесс становится по существу дуплекс-процессом: печь (или конвертер) - вторичный агрегат.

Рис. 4.2 - Установка типа ковш-печь (LF): 1 - шиберный затвор; 2 - тележка; 3- основной шлак; 4- смотровое окно; 5 - электроды; 6 - бункеры для хранения легирующих добавок; 7- инертная атмосфера внутри печи; - нагрев погруженной дугой; 9 - жидкая сталь; 10 - перемешивание инертным газом; 11 - пористая пробка

Рис. 4.3 - Схема установки АР (Аrc-Process): 1- ковш; 2- крышка-свод; 3- бункеры для ферросплавов и флюсов; 4 - фурма для подачи в металл аргона (или азота) для продувки металла и перемешивания; 5 -электроды; б - подача аргона для соз­дания безокислительной атмосферы над ванной; 7- фурма для вдувания порош­кообразных реагентов (силикокалыгяя и др.) в глубь металла; 8 - беэокислительная атмосфера; 9- шлак (обычно система CaO-SiO2-Al2O3)

В мировой практике получает все большое распространение процесс, названный процессом ковш-печь. В зарубежной литературе процесс получил наименование LF-процесс (Lsdle-Furnace), в оте­чественной литературе часто используют аббревиатуру АКОС (аг­регат комплексной обработки стали). Процесс включает перемеши­вание путем продувки металла аргоном в ковше, дуговой подогрев и обработку металла синтетическим шлаком в процессе его перемешивания аргоном. Процесс обеспечивает не только получение ме­талла заданного химического состава температуры, но и сниже­ние количества неметаллических включений в результате удаления серы и кислорода, что привело к значительному улучшению меха­нических свойств. Такой агрегат может быть установлен в любом сталеплавильном цехе.

Типичная конструкция установки LF (печь-ковш) показана на рис. 4.2. В ковше наводится рафинировочный шлак, и в него сверху опускают электроды системы электродугового нагрева таким образом, чтобы обеспечить достаточно эффективную теплопередачу и одновременно защитить огнеупоры ковша от дуги. При этом остаточные оксиды железа в шлаке восстанавливаются углеродом графитовых электродов.

Рис.4.4 - Схема VAD -процесса: 1 - вакуумная фурма для замера температуры и отбора проб; 2-телескопическаятруба для вакуум-плотной герметизации электродов; 3 - водоохлаэкдаемый токоподвод; 4 - зажимное приспособление для электрода; 5- шлюзовое устройство для ввода в вакуум-камеру легирующих добавок; 6 - направляющая колонка для управления электродами; 7 - смотровое стекло с ротором; 8- теплозащитный экран; 9 - подключение вакуума; 10 - вакуум-камера; 11 - сталеразливочный ковш; 12- пористый блок для продувки инертными тазами

На рис. 4.3 показан вариант установки типа ковш-печь, предусматривающий возможность перемешивания металла аргоном под слоем синтетического шлака, вдувание порошкообразных реа­гентов и подогрев расплава одновременно. Для обозначения про­цессов и установок, сочетающих обработку металла с подогревом его с помощью электрических дуг, за рубежом часто используют аб­бревиатуру АР (от англ. Аrc-Process).

Установки с вакуумированием металла. Разновидностью комбинированного процесса с обработкой металла и вакуумом, И продувкой аргоном, и синтетическими шлаковыми смесями при одновременном подогреве дугами может служить VAD -процесс (от англ. Vacuum Arc Degessinf).

Технология поведения операции следующая:

1) помещение ковша в VAD -камеру и продувка аргоном в течение 3 мин (без вакуума);

2) отбор пробы на химический анализ и перемещение ка­меры на участок скачивания шлака (содержащего FеО и Р₂O₅)- Пе­ремещение камеры с ковшом к VAD -устройству, накрывание сво­дом и вакуумирование с подогревом (или без подогрева). Подогрев осуществляется с помощью электродов, опускаемых через свод;

3) одновременно с вакуумированием наводится (присадкой СаО, СаF₂ и А1) новый шлак и продолжается продувка аргоном;

4) после 20 - 25 мин такой обработки под вакуумом произ­водится корректировка химического состава и температуры (электроподогревом);

5) после достижения необходимых параметров вакуумиро­вание прекращается и камера с ковшом транспортируется на разли­вочную площадку.

В тех случаях, когда требуется получать менее 0,004% S, в металл дополнительно вдувается порошок СаС₂ или силикокальций. Фурма погружается на глубину 2,5 м, продолжительность вду­вания 15 мин, содержание серы до окончания процесса вдувания 0,001%. Фурму для вдувания обычно изготавливают из цельнотяну­той трубы с нанизанными на нее катушками из огнеупорного мате­риала, содержащего 60% Аl₂О₃, навинчивающейся пробки (80% Аl₂О₃) и вставки на месте выхода струи (95 % Аl₂О₃). Получаемая сталь может быть предназначена для изготовления крупных ем­костей для сжиженного газа, арктических трубопроводов, буровых морских платформ, атомных электростанций, специальных устано­вок химической и нефтехимической промышленности и других из­делий ответственного назначения.

Подробное исследование технологии обработки по способу VAD проведено на одном из заводов Японии. На заводе имеется 50-т установка VAD, металл на которую поступает с дуговой печи или из кислородного конвертера. Легирующие элементы и флюсы присаживаются в ковш под вакуумом, металл продувают аргоном через пористую пробку. Полный цикл обработки стали в установке длится 140 мин, из них первые 80 мин - подогрев металла с 1540 до 1640°С при давлении 26,6 кПа, затем 40 мин - дегазация при дав­лении менее 1,3 кПа и последние 20 мин - снова подогрев и дове­дение температуры металла до 1600ºС.

Для десульфурации стали использовали шлаки, содержащие при пересчете компонентов на квазитройную систему 50 - 70 % СаО, 20 - 35 % Аl₂О₃ и 10 % SiО₂. По результатом испытаний наи­больший коэффициент распределения (S)/[S], превышающий 600, был достигнут в области существования в жидкой фазе и извести и трисиликата кальция. Перед обработкой из ковша скачи­вали печной шлак, поэтому суммарное содержание оксидов железа и марганца в шлаке для десульфурации не превышало 1 %. При­мерный оптимальный состав шлака, %: 60 СаО, 10 SiO₂ и 30 Аl₂О₃. Считается, что в качестве основы для расчетов десульфурации ме­талла, раскисленного алюминием, может быть принята реакция З(СаО) + 2[А1] + 3[S] = 3(СаS) + Аl₂О₃.

Установки с индукционным подогревом и перемешиванием. Помимо установок с дуговым подогревом разрабатываются уста­новки использованием методов индукционного нагрева (и пере­мешивания). В качестве примера на рис. 4.5 показана схема агрега­та, разработанного SCRATA (Steel Casting Research Association, ЮАР). Процесс назван LMR. (от англ. Ladle Metal Refining). Процесс особенно удобен для получения сравнительно небольших порций легированных (например, 13% Сг и 4% Ni) сталей, когда требуется гарантированно низкое содержание примесей.

Установки с использованием топливных горелок. Предприни­мались попытки использовать в процессе внепечной обработки и такой традиционный способ нагрева, как топливные горелки. Так, на заводе Holmstad (Швеция) с 1986 г. работает 50-т печь-ковш с двумя топливно-кислородными горелками мощностью по 50 МВт, в которой обрабатываются плавки из 50-т дуговой печи. В процессе обработки металл продувается инертным газом. Горелки установле­ны в крышке ковша. Период нагрева продолжается 12 мин, и за это, время температура металла увеличивается примерно на 15°С со средней скоростью 0,95°С/мин при подводимой энергии 80 кВт-ч. Общее количество подводимой энергии 800, усвоенной 280 кВт-ч, что соответствует среднему к.п.д. 35 %. В процессе нагрева к.п.д. изменяется с 20 до 45 %. Возможно снижение температуры выпуска стали из дуговой печи примерно на 50°С (при расходе энергии в установке печь-ковш 25 - 30 кВт·ч/т).

В настоящее время имеются сторонники как внепечной об­работки путем использования установок типа ковш-печь, так и раз­вития инжекционной металлургии. И тот и другой методы имеют свои преимущества и недостатки. Например, для установок ковш-печь металл в печи можно нагревать до оптимальной температуры и за счет этого сократить время плавки в основном агрегате и сни­зить расход огнеупоров и энергии. При использовании инжекционных методов, наоборот, требуется перегрев металла в плавильном агрегате, но зато можно быстро и эффективно вести процессы де­сульфурации, легирования и раскисления с очень высокой степе­нью усвоения добавляемых элементов.

Как можно заметить, активно разрабатываются технологии представляющие собой сочетание обоих методов. Разрабатываются также системы, предусматривающие наличие двух ковшей - один в установке ковш-печь и другой для инжекции порошкообразных реагентов. При этом считают, что такие системы более гибкие и позволяют получать высококачественную сталь с низким расходом электроэнергии и огнеупоров.

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 = уе ¹⁶, 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.

Date: 2015-08-22; view: 1105; Нарушение авторских прав