Комбинированные

(КОМПЛЕКСНЫЕ) МЕТОДЫ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ

Методы вторичной металлургии могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним методом) и комбинированные (обработка металла несколькими методами одновремен­но).

По мере совершенствования про­стых методов внепечной обработки получили развитие и комбинирован­ные (или комплексные) методы. Это развитие идет по пути как комбина­ции нескольких простых методов, так и создания новых агрегатов с комп­лексной обработкой стали (сокращен­но АКОС) или превращения простых методов в комплексные.

Из рассмотренных выше к простым методам относятся: 1) обработка ме­талла вакуумом; 2) продувка инертным газом; 3) обработка металла синтети­ческим шлаком в ковше; 4) продувка порошкообразными материалами. Ос­новными недостатками перечислен­ных простых способов обработки ме­талла являются: 1) необходимость пе­регрева жидкого металла в плавиль­ном агрегате для компенсации снижения температуры металла при обработке в ковше; 2) ограниченность воздействия на металл (только десуль-фурация или только дегазация и т. п.). Лучшие результаты воздействия на ка­чество металла достигаются при ис­пользовании комбинированных, или комплексных, методов, когда в одном или в нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществля­ется ряд операций. Для их проведения оказываются необходимыми усложне­ние конструкции ковша и использова­ние более сложного оборудования. Выбор оборудования определяющим образом зависит от технологии обра­ботки. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении пробле­мы повышения качества металла ме­тодами вторичной металлургии, ис­пользуемые при этом технологические приемы немногочисленны и связаны с интенсификацией конкретных про­цессов, рассмотренных ниже:

1. Взаимодействия металла с жид­ким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (организа­ция интенсивного перемешивания специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообра-зующих материалов непосредственно в массу металла при помощи электро­магнитного перемешивания и т. п.).

2. Газовыделения (обработка ме­талла вакуумом или продувка инерт­ным газом).

3. Взаимодействия металла с вводи­мыми в ванну материалами для рас­кисления и легирования (подбор ком­плексных раскислителей оптимально­го состава, введение раскислителей в глубь металла в виде порошков, бло­ков, специальной проволоки, патро­нов, выстреливаемых в глубь металла, искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продук­тов раскисления и т. д.).

Организация тем или иным спосо­бом перемешивания ванны (интенси­фикация процессов массопереноса) является обязательным условием по­вышения эффективности процесса.

Для проведения внепечной обра­ботки металла комбинированными методами можно использовать: 1) обычный сталеразливочный ковш с футеровкой из шамота и с вертикаль­ным стопором; 2) сталеразливочный ковш с футеровкой из основных высо­коогнеупорных материалов и стопо­ром шиберного типа; 3) сталеразли­вочный ковш, снабженный крышкой; 4) сталеразливочный ковш, оборудо­ванный для вдувания газа или газо-по-рошковой струи снизу через смонти­рованные в днище устройства; 5) агре­гат-ковш с крышкой (сводом), через которую вводят электроды для нагрева металла в процессе его обработки; 6) агрегат конвертерного типа с про­дувкой металла кислородом, аргоном или паром; 7) агрегат конвертерного типа, снабженный оборудованием для вакуумирования расплава и т. д.

Перестройка технологий, исполь­зуемых на отечественных заводах, ха­рактеризуется интенсивным внедре­нием современных методов внепечной обработки и вводом в эксплуатацию соответствующего оборудования. В качестве примера приведем ситуацию, сложившуюся на Оскольском элект­рометаллургическом комбинате, который входит в настоящее время в груп­пу самых современных производите­лей стали в России.

Набор основного технологического оборудования в настоящее время включает:

1) четыре электродуговые 165-т, печи (плавка ведется одношлаковым процессом с интенсификацией про­дувкой кислородом; шихта состоит из 40—100% металлизованных окаты­шей);

2) две установки продувки аргоном через фурму (УПА);

3) две установки продувки аргоном с возможностью ввода порошковых компонентов через фурму (УДПА), со­вмещенные в технологические линии с установками порционного вакуумиро­вания стали (УПВС);

4) восемь трайб-аппаратов ', уста­новленных парами на установках УПА и УДПА (один одноручьевой для ввода алюминиевой проволоки и один двух-ручьевой для присадки порошковых проволок);

5) два агрегата комплексной обра­ботки стали (АКОС), обеспечивающих подогрев металла, возможность при­садки восьми компонентов, обработку порошковыми проволоками и легиро­вание алюминием. Все стенды (УПА, УДПА, УПВС, АКОС) оборудованы подводом аргона к днищу сталеразли-вочного ковша, где установлен проду­вочный блок. Ряд перечисленных ус­тановок был закуплен за рубежом. Учитывая эту практику, необходимо уметь ориентироваться в вопросе о том, какие установки в настоящее вре­мя наиболее распространены, и в наи­менованиях методов.

¹ От нем. Treiben — вгонять, приводить в движение.

² Здесь и далее названия процессов соот­ветствуют названиям разработавших их фирм.

Примерами способов вторичной металлургии, обеспечивающих подо­грев металла.в процессе обработки, яв­ляются ASEA-SKF-процесс², возник­ший в Швеции в 1964 г., и более про­стой Finkl-процесс, появившийся не­сколько позже в США. В первом методе предусмотрена обработка ме­талла с использованием индукционно­го перемешивания и подогрева металла сверху электрическими дугами (рис. 19.40). В таком агрегате металл может выдерживаться под вакуумом длительное время (до 2ч), что обеспе­чивает высокую степень его рафиниро­вания. В некоторых случаях на поверх­ность перемешиваемого под воздей­ствием индуктора металла вводят также некоторое количество шлакообразую-щих. Такой способ является сложным и дорогостоящим, однако это компенси­руется высоким качеством металла. Ус­тановки такого типа работают в стале­плавильных цехах некоторых заводов тяжелого и энергетического машино­строения, где отливают крупные слит­ки для изготовления роторов турбин электростанций и других ответствен­ных изделий. Если в методе ASEA-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 ASEA-SKF представляют собой не ков­ши, а металлургические агрегаты, в ко­торых проводят определенные метал­лургические операции и процесс ста­новится, по существу, дуплекс-процес­сом: печь (или конвертер) — вто­ричный агрегат.

В другом варианте решения про­блемы (рис. 19.41), когда необходимо использовать метод вакуумирования, организуют последовательную обра­ботку металла вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих мате­риалов (для раскисления и удаления

Рис. 19.40. Схема процесса ASEA-SKF:

а — вакуумирование; 6 — подогрев; / — перемеши­вающий индуктор; 2—электроды; J—шиберный затвор

Рис. 19.41. Схема последовательной обработки стали вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих материалов, затем на установке циркуляцион­ного вакуумирования

серы), затем на вакуумной установке (для дегазации). Если целью является получение низкоуглеродистых сталей (например, коррозионностойких, жа­ропрочных и др.), то широко исполь­зуют комбинирование вакуумной об­работки с аргонокислородной продув­кой и т. д.

Еще пример решения — создание агрегатов, получивших название ковш—печь или LF (от англ, ladle-furnace). Процесс LF проводится в ковше, футерованном основными ог­неупорами, накрытом крышкой, че­рез которую опускают электроды (рис. 19.42, а). Процесс включает пе­ремешивание посредством продувки металла аргоном в ковше, дуговой по­догрев и обработку металла синтети­ческим шлаком в процессе его пере­мешивания аргоном. Процесс обеспе­чивает не только получение заданного химического состава и температуры металла, но и снижение количества неметаллических включений в резуль­тате удаления серы и кислорода.

На рис. 19.43 показан вариант уста­новки типа ковш—печь, предусматри­вающий возможность перемешивания металла аргоном под слоем синтети­ческого шлака. Вдувание порошкооб­разных реагентов и подогрев расплава проводят одновременно.

Агрегаты ковш—печь работают как на переменном, так и на постоянном токе. На рис. 19.44 показано несколь­ко схем работы агрегатов LF на посто­янном токе. В случае а нагрев ванны ведется через шлак. По такой схеме работает крупная 160-т установка вне-печной обработки стали в конвертер­ном цехе НЛМК.

Рис. 19.42. Установка типа ковш-печь: \

а — процесс LF (/ — шиберный затвор; 2 — тележка; i

3— основный шлак; 4— смотровое окно; 5— элект- '\

роды; 6— бункера для хранения легирующих доба- i

вок; 7— инертная атмосфера внутри печи; 8— на- (

грев погруженной дугой; 9— ковш; 10— жидкая:<

сталь; 11 — пористая пробка для подачи аргона); ^!

б— общий вид 130-т установки см. на цветной!

вклейке j

Рис. 19.43. Схема установки ковш—печь типа АР (Arc-Process);

/ — ковш; 2— крышка-свод; 3 — бункера для фер­росплавов и флюсов; 4— фурма для подачи в металл аргона или азота; 5— электроды; 6— подача аргона; 7— фурма для вдувания порошка силикокальция в струе аргона; 8— безокислительная атмосфера; 9-шлак СаО-5Ю₂-А1₂Оз

Рис. 19.44. Схемы установки ковш—печь по­стоянного тока:

а — без подового электрода (/ — ковш; 2 — свод; 3 — электроды; 4— шлак; 5—пористая пробка); 6— с подовым электродом (], 2— электроды; 3 — шлак; /—к вакуумной системе; //— ввод добавок и флю­сов)

Рис. 19.45. Схема АКОС:

1 — пневмонасосы; 2,3 — установки для продувки и нагрева металла соответственно; 4— трансформаторная; 5—водоохлаждаемая крышка; 6— сталеразливочный ковш; 7—сталевоз

Установки ковш—печь в России обычно именуются АКОС (агрегат комплексной обработки стали) или УСДМ (установка стабилизации и до­водки металла). Общая компоновка агрегата АКОС показана на рис. 19.45.

Дальнейшее усложнение конструк­ции агрегата связано с организацией в нем обработки вакуумом. Эти агрега­ты именуются обычно аббревиатурой VAD (от англ, vacuum-arc-degassing). На рис. 19.46 (см. на цветной вклейке) представлены два варианта конструк­ций VAD-установок.

Варианты обработки стали в ковше разнообразны. На рис. 19.47 представ­лен «гипотетический» вариант агрега-

Рис. 19.47. Схема совмещения основных эле­ментов внепечной обработки стали в одном агрегате:

/ — оборудование для ввода раскислителей и доба­вок алюминия в виде проволоки; 2 — кислородная фурма; 3 — устройство для подачи аргона для изме­нения давления (сталь всасывается и выдавливает­ся); 4 —электроды для дугового нагрева; 5 —фурма для продувки инертными газами с вводом пылевид­ных материалов; 6— патрубок вакуум-камеры; 7— бункер для подачи раскислителей и легирующих до­бавок; <?— индуктор для перемешивания или нагре­ва; 9— шиберный затвор; 10— фурма для продувки пылевидными веществами или инертными газами через шиберный затвор; 11 — пористые фасонные огнеупоры для подвода инертных газов через днище; 12— подвод инертных или активных газов через бо­ковую стенку; 13 — подвижная граница раздела фаз; 14— огнеупорная футеровка; 15— постоянная гра­ница раздела фаз металл-шлак; 16— покровный шлак

Рис. 19.48. Варианты усовершенствования процесса циркуляционного вакуумирования:

а — подача кислорода; б — прдача флюсов; в — со­здание зоны интенсивного ба'рботажа подачей в ме­талл кислорода и аргона

та внепечной обработки непосред­ственно в ковше, где предусмотрены все возможные способы воздействия на металл в ковше.

Примером превращения простого метода в комплексный может послу­жить опыт трансформации агрегата циркуляционного вакуумирования RH. Начальным этапом усложнения процесса явилось дополнительное введение кислорода в вакуумную ка­меру с целью интенсификации обезуг­лероживания и дополнительного по­догрева металла (рис. 19.48, а). Далее для подогрева металла в процессе его обработки начали использовать метод подачи в вакуум-камеру алюминия (в виде проволоки или гранул) с после­дующим окислением его вдуванием кислорода (при протекании реакции 4А1 + ЗО₂ = 2А1₂О₃ + Q выделяется боль­шое количество тепла). Дальнейшее усложнение — подача сверху из бункера непосредственно в вакуум-камеру или снизу в подающий патрубок (рис. 19.48, б) шлак'ообразующих мате­риалов (обычно десульфурирующих смесей на базе CaO-CaF₂); вариант та­кой технологии получил наименова­ние VOF-процесс (от vacuum-oxygen-flux process).

На рис. 19.48, в показана применяе­мая схема дополнительной подачи кис­лорода и аргона непосредственно в ка­меру вакууматора. Такая схема обеспе­чивает эффективное использование вводимого в камеру алюминия для по­догрева собственно металла, контроль и регулирование температуры металла (изменением соотношения О₂: Аг), а также образование в камере зоны ин­тенсивного кипения и перемешивания металла. Это дает возможность, меняя расход алюминия и соотношение О₂: Аг, управлять процессами окисления углерода, кремния, марганца, хрома.

При такой технологии получают сталь, содержащую не более, %: S 0,002; Р 0,015; [О] 0,002; [Н] 0,00015.

Практика показала также, что вве­дение углеродсодержащих добавок (например, электродного боя) в каме­ры порционного или циркуляционно­го вакууматоров обеспечивает получе­ние нужного содержания углерода в готовой стали (при известной массе вводимого углерода). В результате со­здается возможность перенести пол­ностью в ковш такие операции, как раскисление, легирование и коррек­ция по углероду.

Выше были отмечены особые труд­ности при необходимости получения очень низкого содержания углерода. Использование способа, показанного на рис. 19.48, в, облегчает и эту задачу.

Приведенные примеры показыва­ют, что с помощью агрегата циркуля­ционного вакуумирования можно проводить следующие операции: а) дегазацию; б) подогрев (за счет окисления кислородом вводимого алюминия); в) десульфурацию (обра­ботка флюсом); г) раскисление (ввод раскислителей); д) легирование (ввод легирующих добавок); е) науглеро­живание; ж) глубокое обезуглерожи­вание.

Сочетание интенсивной продувки кислородом (сверху) и инертными га-

зами (снизу) с одновременно происхо­дящим вакуумированием осуществля­ется также в агрегатах, названных VODC (от англ, vacuum-oxygen-decar-burisation, converter), или VODK (от нем. Konverter). Схема такого агрегата показана на рис. 19.49 (см. на цветной вклейке).