Комбинированные (комплексные) методы внепечной обработки

По мере совершенствования простых методов внепечной обра­ботки получают развитие комбинированные или комплексные методы. Это развитие идет по пути или комбинации несколь­ких "простых" методов, или создания новых агрегатов с комплексной обработкой стали (сокращенно АКОС), или прев­ращения "простых" методов в комплексные. Пример решения проблемы по первому пути показан на рис. 203, когда необ­ходимо использовать метод вакуумирования, организуют пос­ледовательную обработку металла вначале на установке с

О О О

Рис. 203. Схема последовательной обработки стали вначале на установке с вдуванием кальцийсодержаших материалов, затем на установке циркуляционного вакуумирования

вдуванием кальцийсодержащих материалов (раскисление и удаление серы), затем на вакуумной установке (дегазация). В случае необходимости получения низкоуглеродистых сталей (например, коррозионностойких, жаропрочных и др.) широко используют комбинирование вакуумной обработки с аргоно-кислородной продувкой и т.д.

Пример решения по второму пути— создание агрегатов, получивших название ковш—печь или LF (Ladle—Furnace, англ.). Процесс LF проводится в ковше, футерованном основными огнеупорами, накрываемом крышкой, через которую опускают электроды (рис. 204). Процесс включает перемеши­вание продувкой 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.

Рис. 204. Установка типа ковш—печь:

1 — шиберный затвор; 2 — тележка; 3 — основной шлак; 4 — смотровое окно; 5 — электроды; 6 — бункеры для хранения легирующих добавок; 7 — инертная атмосфера внутри печи; 8 — нагрев погруженной дугой; 9 — ковш; 10 — жидкая сталь; 1) — пористая пробка для подачи аргона

Рис. 205. 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 CaO—Si0₂—А1₂О_а

На рис. 205 показан вариант установки типа ковш—печь, предусматривающий возможность перемешивания металла арго­ном под слоем синтетического шлака, вдувание порошко­образных реагентов и подогрев расплава одновременно.

Агрегаты ковш—печь работают как на переменном, так и на постоянном токе. На рис. 206 показаны примерные схемы работы агрегатов LF на постоянном токе. По схеме рис. 206, а нагрев ванны происходит через шлак. По такой схеме работает крупная (160-т емкости) установка внепеч-ной обработки стали в конвертерном цехе НЛМК.

В качестве примера превращения "простого" метода в комплексный можно привести пример трансформации агрегата циркуляционного вакуумирования (RH).

Первым этапом усложнения процесса явилось дополнитель­ное введение кислорода в вакуумную камеру с целью интен­сификации обезуглероживания и дополнительного подогрева металла (рис. 207, а). Далее, для подогрева металла в процессе его обработки начали использовать метод подачи в

Рис. 206. Схема установки ковш—печь постоянного тока:

а — без подового электрода О — ковш; 2 — свод; 3 — электроды; 4 — шлак; 5 — пористая пробка); б — с подовым электродом (7, 2 — электроды; 3 — шлак; I — к вакуумной системе; Н — ввод добавок и флюсов)

Рис. 207. Усовершенствова­ния процесса циркуляционно­го вакуумирования: а — подача кислорода; б — подача флюсов; в — создание зоны интенсивного барботажа подачей в металл кислорода и аргона

вакуум-камеру алюминия (в виде проволоки или в виде гра­нул) с последующим окислением его вдуванием кислорода (при протекании реакции 4А1 + 30₂ = 2А1₂О_э + Q выделяется большое количество тепла). Дальнейшее усложнение - подача сверху из бункера непосредственно в вакуум-камеру или снизу в подающий патрубок (рис. 207, б) шлакообразуюших материалов (обычно десульфурирующих смесей на базе СаО-CaF₂); вариант такой технологии получил наименование VOF-процесс (англ. Vacuum-Oxygen-Flux Process).

На рис. 207,в показана применяемая схема дополнитель­ной подачи кислорода и аргона непосредственно в камеру вакууматора. Такая схема позволяет эффективно использо­вать вводимый в камеру алюминий для подогрева собственно металла, позволяет контролировать и регулировать темпера­туру металла (меняя соотношение 0₂: Аг) и образовывать в камере зоны интенсивного кипения и перемешивания металла. Это дает возможность, меняя расход алюминия и соотношение 0₂: Аг, управлять процессами окисления углерода, крем­ния, марганца, хрома.

Такая технология позволяет получить сталь, содержащую не более (%): S 0,002; Р 0,015; [О] 0,002; [Н] 0,00015.

Практика показала также, что введение углеродсодержа-щих добавок (например, электродного боя) в камеры пор­ционного или циркуляционного вакууматоров позволяет, зная массу вводимого углерода, получать нужное содержание углерода в готовой стали. В результате создаются возмож­ности перенести полностью в ковш такие операции, как рас­кисление, легирование и коррекция по углероду.

Выше были отмечены особые трудности при необходимости получения очень низких содержаний углерода. Использование способа, показанного на рис. 207,в, облегчает и эту за­дачу.

Приведенные примеры показывают, что агрегат порцион­ного вакуумирования позволяет проводить операции: а) дегазации; б) подогрева (за счет окисления кислородом вводимого алюминия); в) десульфурации (обработка флюсом); г) раскисления (ввод раскислителей); д) легирования (ввод легирующих добавок); е) науглероживания; ж) глубокого обезуглероживания.

§ 13. ВНВПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

НА УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ (УНРС)

Внепечная обработка стали на установках непрерывной раз­ливки осуществляется благодаря комплексу мер, основные из которых следующие:

1) увеличение емкости и глубины промежуточного ковша. Промежуточные ковши УНРС, построенные в последние годы, вмещают не менее 50 т металла и имеют глубину ванны 1,0— 1,5 м и более. Крупный ковш позволяет сохранять постоян-

ную скорость разливки при смене сталеразливочного ковша без опасения затягивания шлака в кристаллизатор, а также облегчить условия всплывания неметаллических включений;

2) заливка стали из сталеразливочного ковша в промежу­точный производится через удлиненный погружной стакан с поддувом инертного газа. Это исключает контакт струи ме­талла с атмосферой;

3) промежуточный ковш накрывают крышкой и подачей под крышку газа создают над ванной восстановительную i или нейтральную атмосферу с тем, чтобы исключить контакт ме­талла с атмосферой;

4) на поверхности металла в промежуточном ковше наво­дят присадками флюса шлак, способный абсорбировать всплы­вающие включения и препятствовать насыщению металла газа­ми из атмосферы;

5) осуществляют продувку металла аргоном (через порис­тые блоки или вставки в днище ковша, подачей газа непо­средственно в стакан, через стопор и т.д.)- Задача — обеспечить необходимое перемешивание и движение металла в ковше, дегазировать металл, организовать флотацию неме­таллических включений;

6) обеспечивают регулирование температуры в ковше и постоянную степень нагрева металла в процессе непрерывной разливки. Снижение температуры металла осуществляется продувкой аргоном или подачей металлической дроби, повы­шение — с помощью плазменных горелок, опускаемых через крышку ковша или устройства типа канального индуктора (рис. 208);

7) в промежуточных ковшах устанавливают перегородки и пороги, обеспечивающие лучшее рафинирование металла от включений. Устройство в перегородках мельчайших отверстий (400—1700 мкм) обеспечивает при прохождении через них ме­талла фильтрацию содержащихся в нем включений (рис. 209). При этом жидкий металл контактирует с твердыми поверхнос­тями перегородок и фильтров. Условия выделения включений существенно меняются, так как появляется готовая поверх­ность раздела фаз.

Естественно, что качеству огнеупоров, из которых изго­тавливают перегородки, пороги и фильтры, предъявляются очень высокие требования. Однако затраты компенсируются повышением качества металла: флотация и фильтрация обес-

 

Рис. 208. Система ин­дукционного подогрева металла в промежуточном ковше:

1 - индуктор; 2 — жид­кая сталь; 3 — канал; 4 — охлаждаемая рубаш­ка; 5 — огнеупоры; б — разливочный стакан

Рис. 209. Методы обработки стали в промежуточном ков­ше:

1 — пороги и перегородки;

2 — фильтры; 3 — продувка аргоном; 4 — наведение син­тетического шлака; 5 — го­релки для подогрева

печивают заметное снижение содержания включений (при про­хождении металла через керамические фильтры отмечается также снижение концентрации примесей цветных металлов), продувка инертным газом — дегазацию металла и увеличение поверхности контакта металла со шлаком. Последнее облег­чает проведение дополнительной десульфурации стали в ре­зультате воздействия синтетического высокоосновного шла­ка, наведенного в промежуточном ковше. Специально органи­зованное движение (перемешивание) металла позволяет про­водить в промежуточном ковше дополнительные операции, связанные с вводом раскислителей и легирующих добавок.

§ 14. ОБРАБОТКА СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Внепечная обработка жидкой стали дополняется различными способами воздействия на кристаллизующийся металл.

Индуктивное ЭМП

Электромагнитное перемешивание. Электромагнитное пере­мешивание (ЭМП) используется для решения двух задач:

1) для улучшения внутреннего строения заготовки (измель­чения структуры, снижения степени ликвации в средней и центральной частях, уменьшения центральной пористости);

2) для улучшения поверхности заготовки (снижения коли­чества поверхностных дефектов, количества неметаллических включений в поверхностном слое, повышения толщины наруж­ной плотной корочки).

Механизм воздействия на металл при решении первой за­дачи основан на снижении перегрева, обламывании ветвей дендритов и создании циркуляции металла в жидкой сердце­вине (рис. 210). Решение второй задачи связано с созда­нием потоков на поверхности металла в кристаллизаторе и улучшением условий выделения включений. В первом случае электромагнитное перемешивание осуществляется в зоне вто­ричного охлаждения, при этом можно создать либо вращаю­щееся, либо бегущее магнитное поле. Во втором случае индуктор размещается в самом кристаллизаторе (рис. 211).

В основном применяют два вида перемешивания: круговое (вращательное) и осевое. Круговое применяют главным обра­зом в кристаллизаторах сортовых УНРС, так как оно способ­ствует удалению включений от поверхности заготовок, улуч­шению теплоотвода и уменьшению вероятности прорыва корочки.

В настоящее время начали с успехом применять методы многоступенчатого перемешивания, когда в кристаллизаторе

С помощью вращающе­гося поля

В кристал­лизатор

/&л

На ручье

Кондухтивное ЭМП

С помощью линейного поля

Пластинча­тые катушки

ЦилиндричесЛ кие катушки

<&А

Геликойдаль -ное переме­шивание

4&А

 

Рис. 210. Изменение формы растущего дендрита в зависимости от характера но

тока металла у фронта кристаллизации:

1 — без потока; 2 и 5 — ламинарный и турбулентный потоки соответственно

Рис. 211. Схемы систем для электромагнитного перемешивания, используемые на сортовых (заготовочных) и блюмовых УНРС

и вблизи конца жидкой лунки непрерывно-литой заготовки устанавливают оборудование для вращательного, а в средней части УНРС — для осевого перемешивания. Входит в практику непрерывное электроперемешивание, при котором обеспечи­вают движение жидкого металла ниже кристаллизатора у сте­нок заготовки вниз, по оси — вверх, а в кристаллизаторе наоборот: у стенки — вверх, по оси — вниз. Максимальный эффект получают тогда, когда перемешивание осуществляют и в кристаллизаторе, и в зоне вторичного охлаждения, и пе­ред обжимными роликами.

В начале 80-х годов создан новый способ электромагнит­ного воздействия на металл- способ так называемого электромагнитного торможения. Оборудование включает ком­плекты расположенных вдоль каждой из широких стенок крис­таллизатора намагничивающих катушек, при включении кото­рых возникает постоянный ток большой силы, создающий маг­нитное поле. Поле замедляет скорость поступающей в крис­таллизаторы струи стали, благодаря чему неметаллические включения получают возможность быстро всплывать на по­верхность мениска. Особенно полезно электромагнитное тор­можение на радиальных УНРС, на которых при повышении ско­рости разливки увеличиваются отложения включений на внут­реннем радиусе заготовки. Применение электромагнитного торможения позволило повысить скорость разливки на 30 % без увеличения загрязненности металла включениями (рис. 212).

Воздействие ультразвуком и электроразрядами. Энергия ультразвука, воздействующая на расплав, меняет кинетику процесса; при воздействии ультразвука наблюдается усиле­ние перемешивания жидкой фазы, обламывание растущих крис­таллов. Испытан ряд способов организации воздействия ультразвуком: через зеркало расплава в кристаллизаторе, через оболочку затвердевающего слитка в зоне вторичного охлаждения, через направляющие ролики, через водоохлаж-даемую ультразвуковую воронку и др.

Разработчики дали способу обозначение EMBR (Electromagnetic Brake).

 

i „I

-^ZF

mm

*ж

f

Рис. 212. Схема электромаг­нитного торможения EMBR (Electromagnetic Brake): (fl — статическое магнитное поле, / — ток): а, б — вид со стороны широ­кой и узкой стороны сляба соответственно

Украинский НИИмет и ПКБ электрогидравлики АН Украины на ряде металлургических заводов СНГ успешно исследовали способ воздействия на кристаллизующуюся середину заготов­ки с помощью электроразрядного генератора упругих колебаний (ЭРГУК). ЭРГУК представляет собой закрытую ка­меру с циркулирующей в ней водой низкого омического со­противления и помещенным в ней электродом.

В камерах ЭРГУК, расположенных на нескольких уровнях по высоте и ширине заготовки и плотно прижатых мембранами к поверхности заготовки, периодически производятся элект­рические разряды. Генерируемые ими колебания широкого спектра через мембраны передаются оболочке заготовки и ее жидкой сердцевине. В результате повышается структурная, химическая и физическая однородность металла.

Разрабатывается и проходит опробование способ индук­тивного электромагнитного перемешивания (КЭМП) жидкого ядра слитка при непрерывной разливке.

Сущность способа состоит в пропускании постоянного электрического тока через слиток и создании постоянного магнитного поля. В области жидкого ядра, где скрещиваются ток и магнитное поле, возникает поле электромагнитных сил, под действием которых жидкий металл начинает переме­шиваться.

Воздействие вибрации. Под воздействием колебаний воз­растает давление жидкого металла на растущие кристаллы, которые разрушаются, образуя при этом дополнительные центры кристаллизации. Это приводит к повышению скорости кристаллизации и уменьшению продолжительности коагуляции включений.

Искусственные холодильники и модификаторы. При воздей­ствии микрохолодильников и модификаторов (например, РЗМ) создаются дополнительные центры кристаллизации в жидкой фазе слитка, причем образование зародышей равноосных кристаллов может произойти за зоной концентрационного переохлаждения, где металл чище и имеет высокую темпера­туру плавления.

Ученые Института электросварки им. Патона совместно с Институтом проблем литья Украины и рядом заводов разрабо­тали технологию получения новых металлических конструк­ционных материалов — армированные квазимонолитные (АКМ) материалы.

 

Применительно к непрерывной разливке процесс АКМ по­зволяет управлять структурой непрерывно-литой заготовки путем ввода в жидкий расплав в кристаллизатор армирующего вкладыша в виде лент, сетки, прутков и др. Помимо подав­ления ликвационных явлений и повышения плотности металла такая технология позволяет увеличить скорость разливки и соответственно повысить производительность установок.

Разливка с механическим, перемешиванием позволяет заметно изменить характер теплоотвода через кристаллиза­тор: при разливке стали удельные тепловые потоки увеличи­ваются по всей высоте кристаллизатора, причем заметно расширяется зона максимального теплоотвода, а также уско­ряется снятие перегрева жидкой фазы: температура поверх­ности слитка на 50—70 °С выше, чем при разливке обычным способом. Важным следствием механического перемешивания жидкой стали в кристаллизаторе является уменьшение нерав­номерности толщины твердой корки по периметру слитка.

Приведенные примеры характеризуют пути изысканий новых методов внеагрегатной (внепечной) обработки металла при непрерывной разливке с целью повышения его качества.