Внепечное вакуумирование стали
Первые исследования обработки металла в ковше, установленном на стенде внутри вакуумной камеры (VD-процесс), были выполнены в Германии в 1932 – 1935 г.г. Однако, техника того времени не позволяла получать давление в камере ниже 4 – 7 кПа. В этих условиях значительной дегазации металла не наблюдалось. Первые промышленные установки для вакуумирования металла в ковше были введены в эксплуатацию в начале 50-х годов ХХ столетия.
Патент на способ вакуумирования струи металла при переливе его из металловозного ковша в установленные в вакуумной камере ковш или изложницу был получен в 1938 г. Первые сообщения об успешном промышленном использовании этого способа обработки относятся к 1954 г.
К 1980 г. было построено более 60 установок вакуумирования металла при технологических переливах, опыт эксплуатации которых выявил ряд существенных недостатков этого способа обработки: высокие потери температуры, отсутствие возможности ввода легирующих и др. Поэтому в настоящее время такое оборудование используется, главным образом, при отливке крупных кузнечных слитков.
В 1954 г. была построена первая установка порционного вакуумирования стали (DH-процесс). Этот процесс предусматривает вакуумную обработку порции металла в камере, к нижней части которой крепится футерованный патрубок. После погружения патрубка в металл на заданную глубину давление в камере понижают. При этом за счет разности давлений над поверхностью металла в ковше и внутри вакуумной камеры уровень расплава повышается примерно на 1,4 м, в результате чего в камеру поступает порция обрабатываемого металла. После этого камера перемещается вверх примерно на 0,5 м. При этом металл из вакуумной камеры возвращается в объем ковша, после чего камера вновь перемещается вниз и заполняется металлом.
Обычно выполняется 40 – 100 циклов вакуумирования, продолжительность каждого из которых составляет 15 – 30 с.
В 1959 г. была пущена в эксплуатацию первая установка циркуляционного вакуумирования стали (RH-процесс). Камера установки циркуляционного вакуумирования оборудована двумя погружаемыми в металл патрубками, в один из которых непрерывно подается аргон. Это вызывает циркуляцию металла из ковша в вакуумную камеру и обратно в ковш.
В 50-х – 60-х годах ХХ столетия широкому распространению порционного вакуумирования стали способствовали такие его преимущества, как отсутствие потребности в аргоне и наличие лишь одного погружаемого в металл патрубка, который можно было расположить в стороне от стопорного устройства сталеразливочного ковша. Однако, со временем они потеряли свое значение по мере роста доступности аргона и перехода к использованию ковшей с шиберными затворами. Кроме того, эффективная дегазация металла в камерах порционного вакуумирования достигалась только при обработке кипящей и полуспокойной стали. По мере ужесточения требований к содержанию серы в стали для повышения эффективности десульфурации металла начали широко использовать раскисление его алюминием. В этих условиях эффективная дегазация стали в камерах порционного вакуумирования достигается только при подаче в патрубок аргона.
По этим причинам в последние годы установки порционного вакуумирования стали выводятся из эксплуатации. Из более чем 100 установок такого типа, построенных в 20 странах мира к 1984 г., в 2002 г. в эксплуатации оставалось лишь 11.
В настоящее время установки циркуляционного вакуумирования стали эксплуатируются преимущественно в кислородно-конвертерных цехах. Как правило, установки RH имеют оборудование для подачи в металл внутри вакуумной камеры раскислителей и легирующих. Ферросплавы подают через вакуумный затвор без изменения давления в камере.
К преимуществам установок RH можно отнести, прежде всего, малую длительность обработки, а также высокое усвоение легирующих при подаче их в вакууме на свободную от шлака поверхность металла и отсутствие необходимости в большой высоте свободного борта ковша, которая требуется при обработке ковшей в вакуумных камерах. Наличие такого оборудования позволяет выполнять удаление водорода и корректировку химического состава стали, обезуглероживание металла при производстве низкоуглеродистых марок стали и стали с ультранизким содержанием углерода.
Вакуумирование металла в ковшах обычно используется в электросталеплавильных цехах. Металлургические возможности этого способа обработки выше, чем процесса RH. Помимо удаления водорода, корректировки химического состава и обезуглероживания стали он позволяет вести эффективную десульфурацию металла ковшевым шлаком. В свою очередь глубокая десульфурация стали создает предпосылки для повышения эффективности удаления из металла азота.
Одновременно с вакуумированием стали в ковше может выполняться электродуговой нагрев металла (процесс VAD). Для производства стали с низким и ультранизким содержанием углерода установки вакуумирования стали были оснащены оборудованием для продувки металла кислородом в вакууме (процессы VDOB, RH-KTB и др.). Это позволило использовать их и для химического нагрева обрабатываемого металла.