Дегазация стали - для чего нужен вакуумный насос, преимущества и недостатки

В данной статье рассматривается технология вакуумной дегазации, позволяющая повысить качество продукции и сократить время обработки. Эта технология становится все более популярной благодаря увеличению спроса на более качественные стали в автомобильной, строительной и железнодорожной областях промышленности. Вакуумная дегазация - это процесс удаления газов в металле при помощи воздействия вакуума. 

Процесс дегазации

Наиболее распространенным дефектом является отслаивание водорода, снижающие целостность стали, когда растворенный газ покидает охлаждающий металл и образует карманы газообразного водорода под высоким давлением внутри твердого тела. Вакуумная дегазация заставляет водород диффундировать и отделяться от жидкой стали, таким образом, предотвращая дефекты, вызванные водородом.

Традиционный метод удаления водорода включает в себя медленное охлаждение стали в зависимости от концентрации водорода и толщины стержня или рельса. Это увеличивает затраты на погрузочно-разгрузочные работы и увеличивает время производства. В случае удаления углерода вакуумной дегазации сталь получается более пластичной и, следовательно, легче формуются при штамповке. Недостатком является то, что система для вакуумной дегазации является дорогостоящей и необходимо учитывать сроки и график внедрения этой новой технологии в существующие линии обработки стали. Тем не менее, производители, которые адаптировали вакуумную дегазацию к своим предприятиям  получили выгоду от повышения качества, открыв новые рынки для своей продукции.

Способы дегазации

Промышленные способы дегазации разделяют на несколько групп:

• вакуумирование в ковше;
• вакуумирование при переливе металла из ковша в ковш;
• вакуумирование при переливе металла из ковша в изложницу;
• порционное вакуумирование;
• циркуляционное вакуумирование.

Вакуумирование в ковше

Ковш с жидкой сталью помещают в вакуумную камеру, закрывающуюся герметичной крышкой. При помощи вакуумного насоса в камере создается разрежение до остаточного давления до 66 мбар. При снижении давления из жидкой стали выделяется водород и азот. Всплывающие пузырьки газов захватывают неметаллические включения, в результате чего содержание их в стали снижается. 

К недостаткам способа относятся:

• не допускается  взаимодействие атмосферы с металлом во время разливки;
• необходимо предотвращать попадание печного шлака в ковш при выпуске плавки;
• недостаточно эффективна вакуумная обработка глубоко раскисленной стали;
• при вакуумировании стали в ковшах до 50 т необходимо дополнительно перегревать металл более, чем на 100С.

Вакуумирование при переливе металла из ковша в ковш

В вакуум-камеру помещается сталеразливочный ковш. Впускная труба ограничивает расширение струи, предотвращая потери металла. Остальные устройства выполняют те же функции, как и вакуумировании в ковше. Для эффективности вакуумирования раскисленного металла вводя в струю инертный газ. При появлении шлака процесс останавливают, в камеру напускают инертный газ, для предотвращения образования хлопкообразного горения паров ЩЗМ, затем воздух. Крышку камеры открывают при достижении в ней атмосферного давления.

Преимуществами этого метода является возможность глубокого раскисления металла при остаточном давлении 650 Па. Существенными недостатками способа являются: большие потери тепла и необходимость задалживания двух ковшей на каждую плавку. 

Вакуумирование при переливе металла из ковша в изложницу

Процесс вакуумирования такой же как и переливе металла из ковша в ковш,  только еще в вакуумную камеру на поддоне устанавливают изложницу с утеплительной надставкой. В изложницу поступает уже раскисленный металл, поэтому для лучшей дегазации в струю через стопор вдувают аргон, а скорость разливки снижается до 3-7 т/мин

Преимуществом является, отсутствие контакта жидкой стали с окружающей средой и не требует перегрев стали. Но производительность при этом очень низкая и нет возможности разливать нераскисленную сталь и десульфурировать металл.

Порционное вакуумирование

В вакуумную камеру при опускании натекает порциями из сталеразливочного ковша расплавленного металла происходит вакуумная обработка. Далее при подъеме камеры происходит слив дегазированного металла в ковш. Вследствие дальнейшего повторения цикла в вакуумную камеру попадают новые порции металла. Порция металла, которые сливаются из камеры опускаются на дно ковша. В некоторых случаях поднимается ковш с металлом, а камера остается неподвижной.

Преимуществом методом является отсутствие специальных вакуумных уплотнений, металл в процессе вакуумирования нагревается, небольшие объемы камеры, и как следствие, небольшая производительность насосов. Недостатком метода - сложность конструкции, вакуумированный металл разливают при контакте с атмосферой.

Циркуляционное вакуумирование

В сталеразливочный ковш погружают два патрубка, в один из которых подают аргон и одновременно включают вакуумные насосы. Во всасывающем патрубке нагревается газ, поднимается вверх, увлекая металл, тем самым попадая в камеру. Дегазированный металл стекает в ковш по сливному патрубку. Таким образом происходит циркуляция расплавленного металла, которая обеспечивает удаление до 40% водорода и позволяет снизить содержание окисных неметаллических включений. Так как ковш открытый, это дает возможность присаживать раскислители и легирующие в процессе вакуумирование. Недостатком можно отнести остывание металла и разлив на воздухе.

Вакуумное оборудование применяемое для дегазации стали

В вакуумных установка для дегазации стали чаще всего используют: 

• винтовые вакуумные насосы; 
• бустерные насосы;
• когтевые вакуумные насосы.

Винтовые вакуумные насосы способны обеспечивать быстроту действия (S) и предельные остаточным давлением pпр:

• Leybold (Германия), серии
  DRYVAC DV: S = 450-1250 м3/ч, pпр = 0,005 мБар,
  SCREWLINE SP: S = 270-630 м3/ч, pпр = 0,01 мБар,
  LEYVAC LV: S = 80-250 м3/ч, pпр = 0,02 мБар.
• VARP Naos: S = 180-1260 м3/ч, pпр = 0,02 мБар;
• Hanbell (Тайвань), серии
  PS: S = 80-1500 м3/ч, pпр = 0,01-0,001 мБар,
  PD: S = 80-2500 м3/ч, pпр = 0,01-0,001 мБар;
• Busch Cobra (Германия), серии
  NC: S = 110-2100 м3/ч, pпр = 0,01-25 мБар,
  NS: S = 70-600 м3/ч, pпр = 0,01-0,03 мБар,
  NX: S = 350, 650 м3/ч, pпр = 0,1 мБар;

В качестве бустерных насосов могут применяться паромасляные вакуумные насосы или насосы типа Рутс, которые работают в диапазоне давлений от 1.33x10^(-2) до 5x10^(-4) Па.

Когтевые насосы предназначены для откачки больших объемов газа, которые идеально подойдут для дегазации стали. Насосы производителей обеспечивают следующую быстроту действия (S) и предельно остаточное давление pпр:

• Busch Mink (Германия): S = 40-950 м3/час, pпр = 20-200 мБар;
• Leybold CLAWVAC (Германия): S = 65-300 м3/час, pпр = 50 мБар;
• DVP PA (Италия): S = 155-250 м3/час, pпр = 150-200 мБар;
• Atlas Copco DZS (Швеция): S = 65-300 м3/час, pпр = 50-140 мБар;