Вакуумная обработка стали

Обработка жидкой стали под вакуумом вне печи имеет более широкие возможности, чем плавка в вакуумных печах, применяе­мая для выплавки высоколегированных сталей и сплавов и требующая больших капитальных затрат. Вакуумная обработка при­менима для различных, в том числе и для рядовых (конструкцион­ных, легированных) сталей, выплавляемых в любых металлур­гических агрегатах, и позволяет одновременно дегазировать зна­чительные количества металла (до 250—350 т).

Основными способами вакуумной обработки сталей являются следующие:

Вакуумная обработка жидкой стали в ковше (рис. 125, а) является наиболее простым и дешевым способом, что способство­вало широкому его распространению. В этом способе ковш с жид­кой сталью помещается в вакуумную камеру, в которой при помощи вакуумных насосов (обычно пароэжекторного типа) создается разрежение 13,33—1999,83 н/м² (0,1—15 мм рт. ст,) (чаще всего 666, 610—1999,83 н/м² (5—15 мм рт. ст.) 1. Во время выдержки длительность которой (5—25 мин) зависит от количества и состава вакуумированной стали, происходит выделение газов (Н₂, СО, СО₂, Н₂).

На крышке камеры обычно имеется устройство для введения в металл раскисляющих и легирующих добавок, производимых после дегазации. По окончании вакуумирования открывают ка­меру, извлекают ковш и разливают сталь обычным способом на воздухе.

В результате вакуумирования стали в ковше, так же как и при других способах дегазации, достигается снижение содер­жания газов в металле — кислорода, азота и особенно водорода; соответственно уменьшается загрязненность стали оксидными неме­таллическими включениями. Степень снижения содержания газов в значительной мере определяется степенью раскисленности металла.

Предпочтительно проводить дегазацию нераскисленного или неуспокоенного металла с последующим раскислением и легиро­ванием его под вакуумом. При вакуумной обработке такого ме­талла достигается наиболее высокая степень дегазации и раскис­ления. Так, например, при вакуумировании в ковше бессемеров­ской кипящей стали содержание кислорода снижалось в 4—10 раз (с 0,02—0,04 до 0,004—0,01%), содержание водорода на 50—60% (с 6,8 до 2,8 мл/100 г) и азота на 20—30% (с 0,015—0,020 до 0,012— 0,015%), что способствовало приближению качества бессемеров­ского металла к уровню мартеновского.

Вакуумная обработка шарикоподшипниковой стали ШХ15 до ее раскисления кремнием и алюминием позволяет уменьшить со­держание кислорода в металле на 40%, снизить количество неме­таллических включений примерно в два раза и понизить концен­трацию водорода на 50%.

Для повышения интенсивности перемешивания металла, а сле­довательно, улучшения условий дегазации иногда совмещают вакуумную обработку с продувкой металла нейтральным газом (аргоном), подаваемым в ковш с металлом через специальную футерованную трубу. Для этих же целей применяется электромаг­нитное перемешивание металла в ковше.

Недостатком вакуумирования в ковше является ограниченная продолжительность обработки вследствие довольно значительного охлаждения металла и разливка вакуумированной стали на воз­духе, что приводит к повторному поглощению газов. Для поддер­жания необходимого температурного режима возможен дуговой или индукционный подогрев металла в ковше. Для исключения повторного поглощения газов применяют разливку вакуумированного металла в защитной атмосфере.

Дегазация струи металла осуществляется при переливе его из ковша в ковш (рис. 125, б); в этом способе создаются более бла­гоприятные условия, чем в предыдущем, для удаления газов. Порожний ковш помещают в камеру, в которой создается разреже­ние 133,32—399,96 н/м² (1—3 мм рт. ст.). На крышке вакуумной камеры устанавливают специальный промежуточный ковш или воронку. Вакуумная камера закрывается алюминиевым листом, являющимся своего рода пробкой, расплавляемой струей жидкой стали. Струя металла в вакууме распадается на капли, что уве­личивает поверхность металла, улучшает и ускоряет процесс дегазации. Для 40-т ковша вакуумирование этим способом зани­мает 8—10 мин.

Дегазация струи металла под вакуумом происходит также при разливке его в изложницы (рис. 125, в), помещенные в вакуумную камеру.

В последнем случае устраняется недостаток всех других спо­собов вакуумной обработки — разливка происходит в вакууме и металл не подвергается воздействию атмосферы воздуха при напол­нении изложницы. Разливка в вакууме применяется для отливки крупных слитков массой 150—300 т.

При разливке в вакууме достигается высокая степень дегазации металла. Содержание кислорода может быть снижено до 0,001—0,002%, соответственно резко уменьшается количество неметаллических включений.

Применение вакуумной разливки для нержавеющей стали, трансформаторной, конструкционной легированной стали позво­ляет значительно повысить качество металла, предназначенного для крупных поковок.

При вакуумировании отдельных порций металла (рис. 125, г) через опущенную в разливочный ковш футерованную трубу жид­кая сталь отдельными порциями засасывается в вакуумную камеру. После кратковременной (30 сек) выдержки в камере порция стали возвращается в ковш. При этом поднимается камера с трубой или опускается ковш. Труба все время остается погруженной в металл.

Степень дегазации металла в этом способе зависит от коли­чества вакуумированных порций металла и отношения количества отсасываемой стали к общей массе металла. Содержание кисло­рода в сталях различных марок (мартеновской и томасовской) при вакуумировании уменьшалось примерно в три раза (до 0,003—0,006%), а содержание водорода снижалось с 8,0 до 2,5 мл/100 г.

Вакуумированная подобным способом сталь отличалась чисто­той по неметаллическим включениям, хорошей обрабатываемостью и повышенной устойчивостью против коррозии.

Преимущества способа порционного вакуумирования заклю­чаются в следующем:

1. представляется возможным обрабаты­вать большие количества металла (плавок до 270—360 т);
2. не требуются большие вакуумные камеры и мощное вакуумное обо­рудование;
3. возможность нагрева металла в вакуумной камере в значительной мере устраняет снижение его температуры.

Недостатком способа является сложность механического обо­рудования установки и разливка вакуумированной стали на воз­духе с повторным поглощением металлом газов.

При вакуумировании циркуляционным способом — в открытый ковш с жидким металлом (рис. 125, д) погружают две футерован­ные трубы, примыкающие к нижней части вакуумной камеры. Благодаря разрежению, создаваемому в вакуумной камере, и подаваемому в нижнюю часть одной из труб газу-носителю (ар­гону), металл поднимается по этой трубе и поступает в камеру. Инжектируемая аргоном струя металла при входе в камеру раз­брызгивается, металл подвергается дегазирующему воздей­ствию, стекает по наклонному дну камеры к второй трубе, и воз­вращается по ней в ковш. Скорость циркуляции при емкости камеры 1 т составляет 5—20 т/мин. Расход аргона около 25 л/т стали. Предусмотрен подогрев металла индуктором, установленным на трубе, по которой металл возвращается в ковш.

Циркуляционный метод отличается высокой производитель­ностью. Ему свойственны примерно те же недостатки и преиму­щества, что и порционному вакуумированию.