Установка вакуумирования стали

 

На УВС выполняются следующие технологические операции:

а) Продувка металла аргоном, азотом;

б) Измерение температуры и активности кислорода в металле;

в) Отбор проб металла на экспресс-анализ;

г) Измерение свободного борта, измерение толщины шлака;

д) Корректировка химического состава металла;

ж) Обработка металла вакуумом;

з) Измерение массовой доли водорода в металле;

и) Наводка шлака;

к) Введение в металл порошковой проволоки и алюминиевой катанки.

л) Продувка металла кислородом;

м) Химический подогрев металла;

н) Микролегирование;

о) Охлаждение металла.

Ковш устанавливается в вакуумную камеру, сверху камера закрывается газопроницаемой крышкой. Пароэжекторными насосами из камеры выкачивается воздух и образующиеся в процессе обработки газы, таким образом, в камере образуется вакуум.

В результате, в верхних слоях металла происходит процесс дегазации металла.

На крышке вакуумной камеры установлены шлюзовые камеры,позволяющие подавать сыпучие материалы во время вакуумирования.

В процессе вауумирования стали производится отбор проб и измерение температуры металла.

Измерение толщины слоя шлака и свободного борта производится при помощи металлической трубки (кислородной) с перпендикулярным загибом размером 1,5 м путем погружения этого конца трубки в металл перпендикулярно поверхности расплава, измерение свободного борта - расстояние от поверхности металла до края стальковша.

Отбор пробы шлака производится при помощи металлической трубки, опуская в расплав. Налипший слой шлака после охлаждения (не менее 10 мин после отбора) отбивается молотком или ударами трубки о рабочую площадку.

После подключения аргонной проводки и установки ковша в камеру УВС проводится усреднительная продувка в течение 3 мин с объемным расходом аргона на каждый донный продувочный блок от 300 до 600 л/мин. Пузырьки газа, всплывающие при продувке через весь слой металла, способствуют его рафинированию. При увеличении интенсивности массопереноса в ковше происходит выравнивание состава и температуры в объеме металла. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности металл - шлак и удаление их из стали. Этому же способствует удаление неметаллических включений пузырьками продуваемого газа вследствие их адсорбции на поверхности этих пузырьков. Так как парциальное давление водорода в пузырьках инертного газа равно нулю, они по отношению к водороду являются в некотором смысле вакуумными полостями и экстрагируют его из металла.

 

Установка вакуумирования стали является одним из важнейших звеньев в производстве стали. Именно на УВС можно осуществить сталь с ультронизним содержанием углерода (IF), низким содержание газов и неметалла.

Углерод является одним из тех элементов, который весьма сильно изменя­ет практически все свойства листовой стали, особенно её способность к фор­моизменению без образования дефектов на деталях кузова автомобилей, сходящих с конвейеров предприятий. С увеличением в стали содержания углерода повышается ее твердость и прочность и уменьшается пластичность и вязкость.

Основные процессы происходящие на УВС.

1) Обеуглероживание.

Для IF-стали необходимо получить низкий углерод (с содержанием угле­рода менее 0,005 %) при высоком расходе ферро­сплавов содержащих значительное количество углерода необходимо скомпенсировать прирост углерода за счет обезуглероживания. Главная особенность вакуумного обезугле­роживания заключается в том, что для окисления углерода используется растворенный в металле кислород. Это обеспечивает одновременное уменьшение углерода в металле и снижение окисленности без использования каких-либо дополнительных раскислителсй (продукты реакции которых с кислородом загрязняют металл).

При вакуумировании стали до ультранизкой массовой доли углерода, в случае низкой начальной активности кислорода в стали менее 500 ррm (0,05 %) производится продувку металла кислородом через кислородную фурму (под вакуумом) но не более 200м³.

Окисление углерода ([С](_металл)) в вакууме происходит вследствие взаимодействия его с растворенным в ста­ли кислородом ([0](_Металл)) с образованием угарного газа (СО):

[С]_{(металл)} +[О]_{(металл)} =СО_(газ)

Уравнение равновесия данной реакции:

К_С =Р_СО / ([%С] +[%О]) f_с f₀

где:

К_с - константа равновесия (зависит от температуры);

[%с], [%о] - содержание углерода и кислорода в стали;

f_с, f₀ - коэффициенты активности углерода и кислорода в расплаве (зависят от температуры и влияния других элементов, находящихся в металле);

Р_С0- парциальное давление СО.

Параметры К_С, f_С,f_О можно считать константами при постоянной температуре и постоянном содержании других элементов в металле. Из уравнения видно, что как только произойдет снижение парциального давление Рсо (числитель в уравнении), для того что­бы уравнение равновесия сходилось, должно снизиться произведение [%С]•[%О] (знаменатель в уравнении), а значит и содержание углерода и кислорода в стали. Таким образом, снизив парциальное давление СO, можно заставить реагировать углерод с кислородом с выделение угарного газа.

Образование пузырьков СО в процессе окисления углерода возможно лишь тогда, когда давления его образования (Рсо) достигает внешнего давления на пузырек (Р_{Пузырька}), состоящего из атмосферного и ферростатического (давление оказываемое металлом и шлака), а также давления поверхностного натяжения (зависит от радиуса пузырька и по­верхностного натяжения):

P_СО Рпузырька = Ратмосферы +Рферростатическое +Рпов.натяжения

Вывод:

Во-первых, при понижении давления более полно проходит реакция обезуглеро­живания (удаление углерода и кислорода).

Во-вторых, при создании вакуума происходит снижение атмосферного давления внутри камеры, уменьшается давление в металле, появляется возможность зародится пу­зырькам СО.

2) Дегазация металла

Наличие большого количества растворенных газов в стали может приводить к по­явлению дефектов в непрерывнолитой заготовке и изменению механических свойств уже готовой продукции. Главная причина заключается в том, что растворимость газов в жид­ком железе значительно больше, чем в твердом. Из элементов, находящихся в обычных условиях в газообразном состоянии, в жидкой стали растворены кислород, водород и азот.

В глубоко раскисленных сталях кислород удаляют за счет раскисления. При рас­кислении его связывают в оксиды, которые удаляются путем флотации в шлак.

Водород во время кристаллизации при наличии трещин или пор в литом металле выделяется в них из кристаллизующегося железа. Выделившийся водород создает высо­кие давления в порах и трещинах, что вызывает зарождение новых трещин и дальнейшее развитие существующих трещин.

Азот в твердом железе в результате нагрева (до 200°С - 300°С) или холодной де­формации способствует выделению из раствора мелкодисперсных частиц нитрида железа. В результате этого в металле создаются большие внутренние напряжения, пластические свойства стали снижаются. Этот процесс называется «старением» стали.

Главным образом для удаления водорода и азота производится обработка вакуу­мом. Главное отличие технологии дегазации от технологии обезуглероживания заключа­ется в том, что для дегазации обрабатывается сталь уже раскисленная (без кислорода).

Из элементов, находящихся в обычных условиях в газообразном состоянии, в жидкой стали растворены кислород, водород и азот. Уравнения прямой реакции удаления газа из расплава:

[0]_{(металл)} =1/20_(газ) (для кислорода);

[N]_{(металл)}=l/2N_(raз) (для азота);

[Н]_{(металл}) =1/2Н_(Газ) (для азота).

Уравнения равновесия для данных реакции:

К_С =Р_О ^½ /[O] _{(металл)} (для кислорода);

К_С =Р_N ^½ /[N] _{(металл)} (для азота);

К_С =Р_H ^½ /[H] _{(металл)} (для водорода).

Учитывая, что константа равновесия (К_С) зависит только от температуры, и ее значений можно принять за константу,то при уменьшении парциального давления газа,

(Р_О ^½ , Р_N ^½ , Р_H^½ -числитель дроби) для сохранения равенства уравнения, содержание газа в металле уменьшается ([0]_{(металл)},[N]_{(металл),} [Н]_{(металл)} –знаменатель дроби)

Значит, для того чтобы удалить газ из металла необходимо снизить парциальное давление данного газа.

Но следует отметить, что прямое удаление кислорода при обработке вакуумом технически реализовать невозможно, так как парциальное давление кислорода равно­весное даже в насыщенном кислородом металле в чистом железе составляет 0.0006 Па. а достигаемое разряжение в вакууматоре составляет приблизительно 100 Па. Удаление кислорода под вакуумом идет по реакции обезуглероживания, при взаимодействии ки­слорода с углеродом.

Удаление водорода и азота идет по прямой реакции. Но в реальных условиях на дегазацию оказывают влияния другие элементы растворенные в стали. По этой причине азот удаляется значительно хуже водорода.

Помимо дегазации за счет снижения давления в вакуумной камере, возможна де­газация за счет «химического вакуума». Обра­ботка «химическим» вакуумом для полной дегазации больших стальковшей практически невозможна, из-за необходимости продувки ковша огромным количеством газа. Но час­тичная дегазация реализуется в течении продувки в кислородном конвертере (газ СО), во время продувки аргоном через донные пробки или фурму (газ аргон), во время обезуг­лероживания (газ СО).

Микролегирование IF - стали начинается с ввода ниобия порош­ковой проволокой после раскисления ее алюминием (при содержании в ста­ли Al не менее 0,04%). Оптимальная скорость введения проволоки с помощью трайб- аппарата обеспечивает максимальное усвоение ниобия жидкой сталью. Ниобий, введенный в IF - сталь, "связывает" углерод.

Для стабилизации азота в сталь вводят порошковой проволокой титан. Присадка титана производится после окончательной доводки стали по температуре. Вслед за микролегиро­ванием стали титаном её продувают аргоном не менее 3 мин, что способствует стабилизации состава. В результате перевода атомов углерода и азота из потенциальных атомов внедрения в кристаллическую решетку железа в атомы внедрения в кристаллическую решетку микролегирующих элементов, с образованием микрофаз карбида и нитрида, пластичность стали повыша­ется, она соответствует напряжениям, которые возникают в формируемых деталях кузова во время сложных вытяжных операций.

После выполнения операций доводки металла по химическому составу и температуре производится промывочный период. При этом удельный расход аргона должен быть установлен в таких пределах, чтобы было обеспечено перемешивание без оголения "зеркала" металла и было заметно движение поверхности шлака.

Перед отдачей плавки на разливку отбирается проба и измеряется температуру стали.

Температура металла должна соответствовать требуемой температуре. Допустимая погрешность средства измерения + 2, минус 3 градуса.

В таблице 3 представлены длительности операций УВС стали типа IF.

 

Таблица 3 - Длительность операций УВС стали типа IF

 

Операция	Длительность, мин
Перестановка ковша со сталевоза УДМ в кауум-камеру
Подвод и опускание крышки.продувка аргоном на открытие пробок
Измерение температуры,активности кислорода,корректировка активности кислорода алюминием	8-10
Набор вакуума,при необходимость продувка кислородом либо охладение плавки охладителем	10-15
Вакуммное обезуглероживание металла	15-20
Срыв вакуума до 20 кПа,присадка Al(сечки, пирамидки)500-900 кг и извести 500-1500кг,усреднительная продувка	6-8
Полный срыв вауума,отбор проб металла,измерение температуры и активности кислорода	4-5
Ввод микролегирующих элементов не ранее чем через 4 минуты после ввода алюминия, усреднительная продувка	6-8
Корректировка металла по химическому составу и температуре при необходимости	10-15
Промывочный период Отбор пробы металла и шлака, измерение температуры,активности кислорода
Перестановка ковша на сталевоз
Итого на УВС	75-97

 

 

2.3 Установка непрерывной разливки стали

После внепечной обработки стали сталеразливочный ковш поступает на Установку непрерывной разливки стали краном.

Сталеразливочный ковш ставиться на установку разливки. Со сталеразливочного ковша металл разливается в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор.

Использование промежуточного ковша позволяет:

1) При непрерывной разливки позволяет разливать несколько плавок без перерыва струи металла. Запас металл в промежуточном ковше позволяет продолжать разливку во время,пока один из разливочных ковшей заменяется другим;

2) Позволяет разливку практически всей плавки с одинаковой скоростью и характером истечения струй металла;

3) Существенно уменьшается удар струи металла при разливки;

4) Позволяет в необходимых случаях осуществлять дополнительные операции по исправлению состава и повышению качества металла.

Скорость разливки при смене сталеразливочных ковшей должна составлять не менее 0,6 м/мин для слябов сечением 210-315 х 1020 - 2000 мм.

При разливке стали с промежуточного ковша жидкий металл непрерывно поступает в кристаллизатор. Стенки кристаллизатора интенсивно охлаждаются водой, циркулирующей по имеющимся в них каналам. Металл затвердевает у стенок кристаллизатора, и оболочка заготовки начинает извлекаться из кристаллизатора с заданной скоростью. Выходящая из кристаллизатора заготовка с жидкой сердцевиной попадает в зону вторичного охлаждения (влажную зону), где на ее поверхность подается из форсунок распыленная вода.

После вторичного охлаждения слиток—заготовка попадает в валки тянущей клети.

Вытягивание заготовки производится системой роликов. Ролики, предназначенные для организа­ции направления движения заготовки и предотвращения её вы­пучивания. УНРС, на которых одновременно вытягивается одна заготовка, называют одноручьевым и, те, на которых одновременно вытягивается несколько заготовок,называются многоручьевыми

Далее металл передвигаясь по роликам в зону газорезки. Газорезка захватывает заготовку и разрезает ее во время движения. По окончании резки захваты разжимаются, и газорезка поднимается в первоначальное положение.