Получение жидкой стали высокого качества

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Получение жидкой стали высокого качества

30.10.2020

Реализовать возможности перечисленных способов рафинирования жидкого металла непосредственно в традиционных сталеплавильных агрегатах трудно. Диффузионное раскисление стали в мартене или ДСП протекает очень медленно из-за малой площади поверхности контакта металл — шлак. Небольшая глубина металлической ванны не позволяет достигнуть рафинирующего эффекта продувки жидкой стали инертным газом или газопорошковыми смесями. Особенности конструкции этих печей делают невозможным вакуумирование плавильного пространства.

Необходимым требованиям рафинирующих процессов в наибольшей мере отвечают условия выплавки стали в конвертерах. В этих агрегатах можно обеспечить и интенсивное перемешивание металла со шлаком, и продувку газовыми и газопорошковыми смесями, а также создать разрежение газовой фазы, разумеется, после соответствующей модернизации конвертера. Именно по такому пути развивается конвертерная выплавка стали. На ряде заводов зарубежных фирм продувку чугуна кислородом совмещают с подачей газовых и газопорошковых смесей через сопла, вмонтированные в днище конвертера. В частности, инжекция струей аргона кальцийсодержащих порошков способствует достижению очень низких концентраций серы и кислорода (до 0,003 % и 0,0020 % соответственно), а также некоторому снижению содержания водорода в стали.

Однако использование этого высокопроизводительного агрегата для проведения операций диффузионного раскисления или вакуумирования стали не выгодно в экономическом отношении. Поэтому перечисленные операции рафинирования металла, а в некоторых случаях и его легирование, стремятся осуществлять вне конвертера, мартена или ДСП. Внепечная обработка стали проводится либо в ковше, либо в специальных агрегатах типа ковш — печь.

Для повышения качества металла массового производства сталь рафинируют в ковше жидкими синтетическими шлаками. Шлак готовят в специальной печи и сливают в ковш перед выпуском в него плавки стали. За счет энергии падающей струи металла он интенсивно перемешивается со шлаком и реакционная поверхность значительно увеличивается (рис. 22, а). Благодаря этому сера, кислород и включения переходят в шлак со значительно большими скоростью и полнотой, чем при обычных способах плавки. Рафинировочный шлак, основой которого принята система CaO — Al2O3, не должен содержать вредных примесей, в частности серу и оксиды железа. Для его приготовления используют технически чистый глинозем. Высокая стоимость и дефицитность такого сырья — основные факторы, ограничивающие использование этого простого и эффективного способа рафинирования стали.

Внепечная обработка стали инертным газом в производственных условиях осуществлена в начале 60-х годов, когда появилась возможность получать аргон в большом количестве. Наиболее эффективна продувка стали аргоном через пористые пробки в дне ковша (рис. 22, б). Другие способы подачи аргона, например через полый стержень ложного стопора, распространения нe получили. Как указывалось, дегазирующее влияние продувки не очень велико. Однако совмещение ее с другими процессами, например с обработкой шлаком или вакуумированием стали значительно улучшает показатели чистоты металла. Большую пользу приносит продувка как средство усреднения температуры и химического состава жидкой стали, в частности, при непрерывной ее разливке.

Промышленное освоение продувки стали в ковше порошками (рис. 22, в) относится к началу 70-х годов. Основная ее цель — десульфурация металла. Наряду с этим существенно уменьшается его окисленность. При продувке используют силикокальций, карбид кальция, магний, а также порошки шлака (флюорит, известь, глинозем). На результаты продувки влияют футеровка ковша и способ предварительного раскисления стали. Наибольший рафинирующий эффект отмечается при продувке кальцием сталей, раскисленных алюминием, в ковше с доломитовой футеровкой. Поскольку гидратация кальцийсодержащих порошков может привести к насыщению металла водородом, продувку часто совмещают с вакуумной дегазацией стали.

Идея использования вакуума в металлургии была высказана Бессемером около 100 лет назад. Однако отсутствие необходимого оборудования сдерживало ее промышленную реализацию вплоть до 50-х годов. Сначала вакуумирование применялось только для удаления из стали водорода. Существует несколько способов дегазации: в ковше, в струе, порционное и циркуляционное вакуумирование.

При выдержке в вакууме небольшого (12—20 т) ковша с раскисленной сталью происходит незначительное снижение содержания водорода: с (5—8)*10в-4 до (4—6)*10в-4 %. Вакуумирование в ковшах большего объема (50—100 т) не дает положительных результатов, поскольку сопровождается дегазацией лишь поверхностных слоев металла (рис. 22, г). Больший эффект отмечается при вакуумировании в ковше неполностью раскисленной стали. Однако в этом случае трудно обеспечить равномерное распределение в металле раскислителей и легирующих, добавляемых в конце обработки. Эффективность вакуумирования в ковше возрастает при перемешивании стали с помощью электромагнитного поля (рис. 22, д) или продувкой аргоном (рис. 22, е), что также снимает ограничения по массе дегазируемого металла.

Вакуумирование стали в струе предполагает две модификации. При отливке крупных слитков в вакуумную камеру устанавливают изложницу (рис. 22, ж). Сталь переливают из ковша в промежуточную емкость, установленную на крышке камеры. Струя металла из промежуточной емкости в вакуум-камере разрывается на множество мелких капель. Развитая поверхность и отсутствие ферростатического давления обеспечивают высокую скорость дегазации стали. При разрежении 1—3 кПа (10—20 мм рт. ст.) содержание водорода снижается от 5*10в-4 % до 2*10в-4 %. Уменьшение остаточного давления до 10 Па (0,1 мм рт. ст.) способствует достижению очень низкой концентрации водорода в стали (менее 1*10в-4 %).

Для получения небольших слитков применяют вакуумирование металла в струе при переливе из ковша в ковш (рис. 22, з). При этом можно обрабатывать нераскисленную сталь. За счет ВУР эффект дегазации усиливается и при небольшом разрежении (1,3 кПа (10 мм рт. ст.)) из стали удаляется до 80 % растворенного в ней водорода. Основной недостаток этого метода вакуумирования — потери теплоты в футеровку ковшей, что требует перегрева металла в печи на 40—80 °C вышe обычного.

Следующим этапом развития внепечной обработки стали явилось создание способов порционного (DH) и циркуляционного (RH) вакуумирования. Сущность их состоит в том, что металл из ковша поступает по патрубку в специальную вакуумную камеру и после дегазации возвращается в ковш. Принципиальное отличие способов заключается в характере перемещения металла. При порционном вакуумировании (рис. 22, и) оно происходит отдельными циклами за счет изменения глубины погружения всасывающего патрубка в ковш. При циркуляционном вакуумировании (рис. 22, к) в столб металла, находящегося в одном из патрубков, вводится аргон. Это уменьшает плотность металла, он поднимается выше уровня сливного отверстия во втором патрубке и возвращается в ковш. Такие установки оборудуются многоступенчатыми пароэжекторными насосами, создающими в камерах разрежение 10—60 Па (0,1-0,5 мм рт. ст.). Они универсальны, т. е. могут обслуживать печи различной емкости — от 10 до 350 т. Встроенные системы электрообогрева, подачи раскислителей и легирующих добавок позволяют точно корректировать химический состав и температуру металла. Снижение содержания водорода в стали до 1*10в-4 % достигается в течение 10—25 мин при 3—5-кратном прохождении (коэффициент рециркуляции) всего металла из ковша через вакуум-камеру.

Удаление водорода необходимо при производстве флокеночувствительных сталей, что исключает специальную термическую обработку поковок и проката, которая обычно длится многие десятки часов. Вместе с тем не менее полезным оказывается осуществление в вакууме реакции раскисления стали углеродом. За счет ВУР содержание кислорода снижается до очень низкого уровня. После ввода в такую сталь кремния и алюминия достигается практически полное их усвоение. Металл меньше загрязняется оксидными включениями. Baкуумно-углеродное раскисление используется также для получения сталей с весьма низким содержанием углерода, например электротехнических и высокохромистых нержавеющих. Обычная технология выплавки таких сталей предусматривает длительный перегрев металла в дуговой печи, сопровождающийся окислением хрома и значительными его потерями с печным шлаком. В настоящее время окисление углерода этих сталей производят в вакууме с одновременной подачей на поверхность металла газообразного кислорода, что исключает значительный перегрев стали, потери легирующих и использование дорогостоящего безуглеродистого феррохрома. Такая технологическая схема реализована процессом VOD (vacuum oxygon decarburisation, т. е. вакуумно-кислородное обезуглероживание), иначе именуемым ЛД — Вак или БВ.

За последнее десятилетие широкое распространение получили способы внепечной обработки стали, в которых совмещены процессы вакуумирования, продувки газом и газопорошковыми смесями, обработки шлаком, раскисления и легирования, нагрева и перемешивания металла. Первый агрегат для такой комплексной обработки стали был изготовлен в Швеции в 1964 г. фирмами ACEA и СКФ. В США аналогичный процесс получил наименование VAD (vacuum arc degassing, т. е. вакуумно-дуговая дегазация). Отличаются они лишь способом перемешивания стали в ковше — индукционное и путем продувки аргоном — соответственно (рис. 22, л). Температурный режим процессов обеспечивают теплом электрической дуги, погруженной в шлак. Наряду с дегазацией в этих агрегатах осуществляют раскисление и десульфурацию стали, при необходимости снижают содержание углерода. При вводе раскислителей и легирующих достигается их полное усвоение и равномерное распределение в жидком металле. По всей видимости, такие комплексные способы рафинирования неверно называть внепечными, поскольку для их осуществления требуются агрегаты, обеспечивающие нагрев металла, по даже более сложные, чем обычные печи.

Черная металлургия в настоящее время располагает мощным арсеналом средств повышения чистоты стали, выплавляемой традиционными способами. Причем при массовом производстве сталей внепечное рафинирование существенно повышает эксплуатационные характеристики изготовленных из них изделий. Однако получение жидкой стали с минимальным содержанием вредных примесей не исчерпывает проблемы обеспечения заданных свойств твердого металла. He менее, а зачастую и более важно создать такие условия разливки и затвердевания металла, при которых из высококачественной жидкой стали будет получен и высококачественный слиток, т. е. обеспечена изотропность химического состава, кристаллической структуры и, следовательно, физических свойств металла. Особое значение это имеет при производстве специальных сталей и сплавов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: