При обработке жидкого металла вакуумом в результате снижения внешнего давления удаляется значительная часть водорода, кислорода и некоторое количество азота. Вакуумирование обеспечивает дегазацию металла (снижение [Н] и [N] за счет уменьшения рн2 и Pn2), глубокое раскисление (раскисляющая способность углерода во много раз усиливается при малом рсо) и удаление неметаллических включений.
Общим для всех типов вакууматоров стали является наличие герметизированной, но сообщенной с металлом вакуумной камеры, в которой разрежение атмосферы (вакуум) достигается с помощью вакуумных насосов. Установка пароэжекторных насосов создает остаточное давление в камере 66—133 Па.
Вакуумирование занимает особое место среди многих вариантов внепечного рафинирования стали и служит незаменимым средством повышения качества шарикоподшипниковых, рельсовых, электротехнических и ряда других сталей. Особенно необходимо вакуумирование при производстве металла с заданным низким содержанием водорода (для устранения флокенов) и глубоком раскислении стали углеродом.
В зависимости от требуемого количества вакуумированного металла и производственных условий применяют различные способы вакуумирования жидкой стали (рис. 5.14). По первому способу, предложенному А. М. Самариным и Л. М. Новиком в 1941 г., ковш со сталью помещают в теплоизолированную вакуумную камеру, после чего ее закрывают крышкой с газоплотным затвором и откачивают газы (рис. 5.14, а). Вакуумирование в ковше длится 10—15 мин, за это время температура металла снижается в зависимости от вместимости ковша на 30—60 К-
Вакуумирование в ковше достаточно эффективно используется для дегазации кипящей или не содержащей сильных раскислите – лей стали, так как в этом случае кипением в ковше обеспечивается массоперенос водорода, азота и кислорода в верхние слои металла,
Где ферростатическое давление не препятствует его дегазации и раскислению. Содержание водорода снижается до 2—3 см3/100 г металла, в крупных ковшах эффективность дегазации меньше. При сочетании вакуумирования стали с продувкой аргоном или с электродинамическим перемешиванием металла увеличивается эффективность и расширяется возможность вакуумирования в ковше.
По второму способу, так называемому «струйному вакуумиро – ванию» (рис. 5.14, б, б), сталь обрабатывается вакуумом во время ее переливания из ковша в ковш или в изложницу, установленные в вакуумной камере. Предварительно разогретый пустой ковш помещают в вакуумную камеру, после чего на нее ставят крышку, в которой имеется отверстие, закрываемое для герметичности алюминиевым листом. Сверху на крышку камеры устанавливают промежуточный ковш, принимающий металл из разливочного ковша. После открытия стопора промежуточного ковша струя металла прожигает алюминиевый лист и попадает в разреженное пространство камеры, где разрывается газами на капли и дегазируется раньше, чем достигнет ковша или изложницы. Температура металла при переливании снижается на 30—60 К. Струйное вакуумиро – вание наиболее эффективно, если в камере находится изложница, так как в этом случае разливка совмещается с вакуумированием (охлаждение металла не является отрицательным фактором), вторичное поглощение металлом газов во время разливки не происходит. При остаточном давлении 667 Па вакуумирование указанным способом обеспечивает снижение [Н] в два раза (до 2 см3/100 г стали).
На рис. 5.14, г показана схема вакуумирования металла в процессе выпуска из печи. При таком варианте струйного рафинирования металл не переливается из ковша в ковш, в результате чего в меньшей степени снижается температура металла.
На рис. 5.14,5 приведена схема вакуумирования металла порциями, забираемыми из открытого ковша в подвешенную к мостовому крану вакуумную камеру. При опускании футерованной трубы в ковш в камеру засасывается небольшая порция металла (10—¦ 30 т), которая вакуумируется в течение 30 с. При подъеме камеры дегазированная сталь выливается в ковш. Такие циклы повторяются до тех пор, пока металл не будет дегазирован до желаемого
Предела. Дегазированный металл более плотный, чем металл в ковше. Поэтому падающая из трубы струя стали проникает до дна ковша, а засасываемые в камеру порции содержат больше газов. Это обеспечивает равномерную дегазацию всего объема металла. Порционное вакуумирование можно применять в ковшах – большой вместимости, так как отпадает необходимость в строительстве глубоких камер, а вакуумирование небольших порций металла позволяет пользоваться менее мощными вакуумными насосами.
На рис. 5.14, е приведена схема циркуляционного вакуумиро – вания. В металл, наполняющий ковш большой вместимости, опускают две футерованные трубы, соединенные вверху с вакуумной камерой. В одну из труб под малым давлением вдувают небольшое количество аргона. По этой трубе металл поднимается вверх, а по другой опускается вниз, что обусловлено разностью плотностей эмульсии металл — пузырьки и непродуваемого металла.
Рассмотренными способами вакуумируют шарикоподшипниковую, рельсовую, трансформаторную, конструкционную и другие специальные стали. Дегазируя сталь в вакууме, удается снизить содержание [Н] на 40—60 %, [О] на 50—70 %, [N] на 5— 10 %, а также уменьшить количество неметаллических включений. Брак стали по флокенам и шиферному излому при этом резко падает.
В крупных кислородно-конвертерных цехах внедряются порционный и циркуляционный способы вакуумирования, позволяющие достичь необходимой производительности при обработке больших количеств металла. Скорость вакуумной обработки на циркуляционной установке составляет 50 т/мин, следовательно, за 20 мин можно обеспечить трехкратное вакуумирование в ковше 300-т плавки. Однако эти способы имеют также существенные недостатки. Так, для компенсации значительных потерь тепла во время обработки требуется большой перегрев металла, возникают затруднения в регулировании температуры металла, а широкое внедрение МНЛЗ обусловливает необходимость регулирования в очень узких пределах. Известный способ вакуумирования с подогревом применяется лишь для обработки небольших порций стали. Не решена также и проблема стойкости футеровки ковшей.