Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Металлургические особенности при электрошлаковогм переплаве


Электрошлаковый переплав обычно осуществляют при нормальном давлении и доступе воздуха в плавильное пространство печи. Изменения химического состава металла при ЭШП, в том числе и повышение его чистоты, являются следствием взаимодействия фаз в системе газ — шлак — металл. Важную роль при этом выполняет расплав шлака, который в зависимости от химического состава и режимов переплава может быть эффективным средством рафинирования и защиты металла от вредного влияния атмосферы или, наоборот, причиной нежелательных изменений химического состава и источником возможных его загрязнений. Определенное влияние па ход и результаты взаимодействия фаз оказывают и технологические особенности ЭШП. К числу таких особенностей, которые в зависимости от условий могут приводить как к позитивным, так и к негативным последствиям, относится капельный перенос металла сквозь шлаковый расплав.

Благодаря капельному наплавлению слитка удельная поверхность взаимодействия металла со шлаком очень высока. Если в дуговой электропечи она составляет 0,3—0,8 м2/т, то при ЭШП — на два-три порядка величины больше. Результаты взаимодействия металла со шлаком зависят от площади поверхности и продолжительности их контакта. Поэтому вернее отражает условия реагирования фаз на различных этапах существования металла в жидком состоянии отношение площади межфазной поверхности шлак — металл к производительности переплава (табл. 37).

С увеличением скорости паплавления слитка приведенная поверхность реагирования уменьшается. Варьированием в разумных пределах производительности ЭШП приведенную поверхность реагирования на первом и третьем этапах можно изменить примерно в два раза (рис. 84).
Металлургические особенности при электрошлаковогм переплаве

Кинетические особенности взаимодействия фаз при ЭШП благоприятствуют наиболее полному протеканию полезных с металлургической точки зрения процессов, например обессеривания металла, очистки его от неметаллических включений. В то же время достижение термодинамического равновесия в системе газ — шлак — металл затрудняет защиту расплава от возможного окисления и насыщения газами, сохранение заданного химического состава. Отметим, что в большинстве случаев окислительные процессы при ЭШП мало сказываются на качестве переплавленного металла и при необходимости могут быть подавлены соответствующими технологическими мероприятиями.

В отношении удаления водорода ЭШП, естественно, уступает ВДП, при котором вследствие вакуумирования плавильного пространства водород быстро и беспрепятственно выделяется из переплавляемого металла. При ЭШП расплав металла изолирован от атмосферы толстым слоем жидкого шлака. Поэтому конечное содержание водорода в слитке зависит от нескольких факторов: концентрации его в расходуемом электроде, влажности атмосферы и содержания водорода в используемом шлаке.

Содержание водорода в электроде определяется составом стали, технологией ее выплавки и разливки. Этот источник водорода наименее опасен, поскольку современные методы дегазации жидкой стали позволяют получить в электроде достаточно низкое содержание водорода.

Влажность атмосферы плавильного пространства печи ЭШП зависит от содержания водяного пара в атмосфере цеха, которое зимой не превышает 5 г/нм3, а летом, особенно при дождливой погоде, возрастает до 30 г/пм3, что соответствует парциальному давлению водяного пара PН2О 0,6 и 4,0 кПа.

В твердом шлаке водород присутствует преимущественно в составе кристаллогидратов и гидрооксидов. Количество его пропорционально содержанию легкогидратируемых оксидов (СаО, MgO) и увеличивается при длительном хранении шлаков. Влага, адсорбированная на поверхности частиц шлака, и химически связанный водород удаляются из шлака при нагревании его примерно до 800 °С. При температурах 800—1000 °C из твердой фазы выделяется и часть растворенного водорода. Расплавление шлака сопровождается сравнительно быстрым выделением всего избыточного водорода. Остаточная его концентрация в расплаве соответствует равновесию с атмосферой, всегда в большем или меньшем количестве содержащей водяной пар. Условия этого равновесия описываются реакцией

Поведение водорода в шлаках фторидно-оксидных систем, используемых в электрошлаковой технологии, подчиняется закону Сивертса при изменении РН2О от 25 Па до 20 кПа (0,2—150 мм рт. ст.). Однако стандартная растворимость CН2О и, следовательно, равновеспые определенным PН2O содержания водорода в шлаковом расплаве зависят от химического состава последнего (табл. 38, рис. 85).

Переход водорода в металл при контакте его со шлаковым расплавом описывается следующим реакциями:


При этом в металл вместе с водородом поступает и кислород.

В состоянии термодинамического равновесия химические потенциалы водорода во всех трех фазах равны. Шлаковая ванна оказывается индифферентным звеном, существенно влияющим, однако, на кинетику массообмена, и концентрация водорода в металле определяется его химическим составом, температурой и парциальным давлением водяного пара. Это подтверждают результаты длительной выдержки стали под некоторыми шлаками (табл. 39). Несмотря на существенное различие концентраций водорода в шлаках, содержание его в металле при данном РH2O имеет близкие значения, подчиняясь закону Сивертса (рис. 86). Равновесный коэффициент распределения водорода LH между шлаками и сталью изменяется от 2 до 12, возрастая при увеличении активности оксида кальция в шлаковом расплава



Описанные закономерности позволяют легче понять особенности поведения водорода при ЭШП. При твердом старте значительная часть избыточного водорода переходит из шлака в металлическую ванну и его распределение по высоте слитка оказывается неравномерным. Концентрация водорода в донной части слитка может быть в несколько раз выше, чем в электроде. Жидкий старт позволяет ликвидировать пик содержания водорода в донной части слитка, хотя неравномерность распределения водорода сохраняется. Его концентрация либо выходит на некоторый постоянный уровень после наплавления примерно трети слитка, либо плавно изменяется до окончания переплава.

Характер этих изменений зависит от концентрации водорода в электроде, влажности атмосферы, а также факторов, влияющих на кинетику массообмена: водородопроницаемости шлакового расплава и площади его поверхности, производительности переплава. В зависимости от соотношения перечисленных факторов при ЭШП водород может либо выделяться из переплавляемого металла, либо поступать в него. Однако даже в том случае, когда концентрация водорода в металле по ходу переплава стабилизируется на некотором уровне, устанавливается квазиравновесие массообмена водородом в трехфазной системе в кипетическом, а не в термодинамическом отношении.

Многообразие факторов не позволяет предсказать априори содержания водорода в электрошлаковом металле, несмотря на достаточную ясность рассматриваемого вопроса и даже существование математических моделей поведения водорода при ЭШП. Однако для конкретных случаев ЭШП при достаточном для статистической обработки количестве эмпирических данных удается выявить определенные зависимости. Показательны в этом плане результаты работ австрийских исследователей (рис. 87). При переплаве конструкционной стали в слитки диаметром 400—1000 мм и абсолютной влажности воздуха 10 г/нм3 содержание водорода снижается, если его исходная концентрация превышает 0,0007 % (рис. 87, а). В противном случае при указанной влажности воздуха водород поглощается металлической ванной. Изменение РН2О приводит к соответствующему изменению концентрации водорода в слитке на величину A[H] (рис. 87, б), которую необходимо алгебраически суммировать с данными, приведенными на рис. 87, а. Применить эти данные к другим условиям ЭШП невозможно. Однако они подтверждают правомерность мероприятий, выработанных в результате многолетней практической работы советских и зарубежных специалистов в области ЭШП и направленных на снижение концентраций водорода в переплавленном металле. К числу этих мероприятий относятся: снижение концентраций водорода в шлаковой ванне к моменту начала переплава до минимально возможного уровня (прокалка и расплавление шлака, выдержка его расплава в атмосфере осушенного инертного газа, продувка сухим инертным газом и др.); снижение парциального давления водяного пара в плавильном пространстве печи (установка крышек на кристаллизатор, подача в него осушенного воздуха или инертного газа и др.); изготовление электродов из вакуумированного металла.

Отметим, что перечисленные мероприятия необходимы при переплаве флокеночувствительных сталей и особенно при выплавке крупных слитков. В большинстве случаев ЭШП не принимается каких-либо мер борьбы с водородом и в переплавленном металле концентрация водорода оказывается даже несколько ниже исходной (табл. 40).

Содержание азота в электрошлаковой металле изменяется в широких пределах и зависит от многих факторов, в частности от исходного содержания, химического состава металла и шлака, режима переплава (табл. 41). Поэтому полагают, что его поведение при ЭШП не поддается простому математическому описанию с помощью, например, закона Сивертса, во многих случаях справедливого для ВИП или эмпирических зависимостей, установленных для ВДП.

При переплаве сталей, не содержащих сильных нитридообразующих элементов, концентрация азота обычно снижается на 10—50 %. Из сталей и сплавов, стабилизированных цирконием, титаном, ниобием, азот, как правило, не удаляется. Поэтому его поведение при ЭШП связывают со свойствами нитридов. Считают, что из-за высокой термодинамической устойчивости нитриды ниобия и титана не разлагаются при температурах ЭШП, но флотация их затруднена малыми размерами и высокой плотностью. Удаление азота из хромистых сталей объясняют диссоциацией CrN, а из сталей, содержащих много алюминия, — флотацией AlN, имеющего сравнительно небольшую плотность.

В жидких сталях и сплавах приведенных в табл. 41 марок существование нитридов в условиях ЭШП термодинамически невозможно. Разумеется, диссоциация их и переход азота в раствор подвержены влиянию кинетических факторов, хотя имеются данные, свидетельствующие о растворении нитридов в стали 0Х16Н15МЗБ и титана в стали 12Х18Н9Т еще на стадии плавления электрода. Поэтому, не отрицая возможности ассимиляции шлаком не успевших диссоциировать нитридов, правильнее, видимо, говорить о массообмене азотом, растворенным в шлаковой и металлической фазах.

В этом аспекте представляют интерес немногочисленные исследования растворимости азота в шлаковых расплавах. Установлено, что в окислительных и нейтральных условиях азот в шлаках не растворяется, но в восстановительных условиях скорость поглощения и равновесные концентрации азота сильно возрастают с повышением основности шлака и температуры. Авторы предполагают, что при поглощении азота он взаимодействует с растворенным углеродом, образуя цианиды и цианамиды. Другие исследователи указывают, что повышенная растворимость азота в шлаках в присутствии углерода обусловлена влиянием последнего на окислительпый потенциал системы и не связана с образованием углеродистых соединений азота.

Перераспределение между шлаком и металлом растворенного в них азота должно зависеть от его активности в обеих фазах и кинетических особенностей массообмена, подверженного влиянию технологических факторов ЭШП. Систематических исследований в этом аспекте проведено не было. Однако подтверждено экспериментально, что чем выше коэффициент активности азота в сплаве, тем ниже конечное содержание азота в электрошлаковой металле и больше относительное снижение его концентрации. Более того, при таком подходе к оценке роли металлической фазы в процессе деазотации обнаружена взаимосвязь содержания азота в стали с изменением ее химического состава при переплаве.

Влияние содержания азота в шлаке, используемом для переплава, своеобразно. Например, при очень высокой исходной концентрации азота (до 0,32 %) в шлаке АНФ-6 содержание азота в стали 1ПХ15 увеличивается на 50 % (отн.). Переплав той же стали под шлаком АНФ-6 с низким исходным содержанием азота (до 0,019 %) приводит к стабильному небольшому снижению концентрации азота в металле. Причем изменение содержания азота в шлаке в пределах от 0,01 до 0,03 % не влияет на концентрацию его в металле ЭШП. Результаты переплава некоторых сталей и опытных сплавов под различными шлаками свидетельствуют, что конечная концентрация азота в металле зависит в основном от его химического состава (рис. 88). С учетом этих факторов авторы данной монографии рассчитали коэффициенты активности азота в сталях и сплавах, составы которых указаны в табл. 41, а также в некоторых других работах и сопоставили их с концентрацией азота в этих сталях и сплавах после ЭШП. По нашему мнению, результаты даже такого, не вполне правомерного сопоставления, проведенного безотносительно к количеству азота в применяемых шлаках и технологическим режимам переплава, заслуживают внимания (рис. 89). Отметим, что расчеты были выполнены для температуры 1600 °C с учетом влияния только основных легирующих элементов. Технологические отличия переплава не принимались во внимание. Известно, что увеличение производительности ЭШП способствует некоторому снижению содержания азота в слитке. Дело в том, что переплав электрода с малой скоростью обычно происходит в верхней области устойчивых электрических режимов, вблизи поверхности шлаковой ванны, а иногда чрезмерное сдерживание производительности ЭШП приводит к «перемежающемуся» процессу переплава. В этих условиях металл окисляется и загрязняется азотом. Повышение скорости переплава сопровождается заглублением торца электрода в шлак, и вредное воздействие воздуха ослабевает.

Линейность графика, отображающего взаимосвязь логарифмов конечных концентраций и коэффициентов активности азота в металле (рис. 89, б), свидетельствует о применимости закона Сивертса для описания поведения азота при ЭШП. С помощью (1.15) рассчитано парциальное давление азота, равновесное его конечным концентрациям в металле. С учетом разброса точек относительно аппроксимирующей линии диапазон его изменения составил 0,7—4,3 кПа (0,007—0,043 атм). Полученные значения на два порядка величины ниже парциального давления азота в воздухе, что можно объяснить испарением шлака, снижающим PN2 в слое газа над поверхностью расплава. Естественно, чем значительнее испарение шлака, тем существеннее должна быть его защитная роль. Можно сделать вывод также о том, что изменение парциального давления азота в плавильном пространстве печи не должно сказываться на концентрации азота в металле. Интересно, что справедливость этого вывода подтверждается экспериментальными данными. Сплавы железа с углеродом и кремнием переплавляли в атмосфере воздуха и в атмосфере аргона. Опыты показали, что независимо от химического состава шлака содержание азота в металле, выплавленном в атмосфере аргона, находится на том же уровне, что и в металле, полученном при ЭШП в атмосфере воздуха.

В общем из анализа производственных результатов следует вывод, что при ЭШП концентрация азота снижается только в тех сплавах, легирующая композиция которых обеспечивает высокие значения коэффициента активности азота. Это в основном низколегированные конструкционные стали. При их переплаве методом ЭШП и ВДП степень деазотации металла составляет соответственно 10—50 % и 30—60 %. Значительный резерв повышения чистоты таких сталей при ЭШП заключается в использовании электродов из металла с низким содержанием азота? например из кислородно-конвертерной стали. Электрошлаковый переплав высоколегированных сталей и сплавов, в расплаве которых активность азота низка, практически не влияет на содержание в них азота. В этом аспекте ЭШП уступает ВДП.

Однако в ряде случаев такая индифферентность ЭШП в отношении азота в металле оказывается полезной. Например, при переплаве легированных азотом сталей (Х25Н16Г7АР, 1Х16Н2АМ и др.) его необходимо сохранить в металле. Для улучшения качества слитков таких сталей ВДП непригоден. Эта задача успешно решается с помощью ЭШП.

Кислород в затвердевших сталях и сплавах присутствует в основном в химически связанном состоянии и его поведение при ЭШП объясняют изменением количества, размеров, формы и состава оксидов. Обработка расплавленного металла шлаком, отсутствие футеровки, направленное формирование слитка благоприятствуют очищению сталей и сплавов при ЭШП. Содержание в них кислорода, как правило, снижается в среднем на 10—50 % (табл. 42), что соответствует изменению загрязненности металла оксидами. В переплавленном металле в отличие от обычного отсутствуют их строчечные скопления. Имеющиеся включения дисперсны (не более 10 мкм) и равномерно распределены. В этом состоит важнейшее преимущество электрошлакового металла перед металлом обычного производства.

Рафинирование металла от включений при ЭШП — сложный процесс, и до сих пор среди исследователей нет единства во взглядах на его механизм. Наиболее логичной и последовательной можно считать схему, которая в определенной мере интегрировала все существующие точки зрения по рассматриваемому вопросу: дробление крупных включений и диссоциация части их при плавлении металла на торце электрода; доставка («всплывание») включений к границе металл — шлак па всех этапах существования металла в жидком состоянии; удаление включений с межфазной границы поглощением или растворением в шлаке.


Рафинирование металла от оксидов начинается еще при его плавлении. Как показывают металлографические исследования оплавленных концов электродов, в пленке быстро затвердевшего металла распределение включений неравномерно. Обе се границы — поверхность и граница с твердым металлом — обогащены оксидами, а в объеме бывшего жидким слоя их примерно в 10 раз меньше, чем в исходном металле. Включения, накапливающиеся и укрупняющиеся в результате коалесценции и коагуляции, поглощаются шлаком. Включения в каплях, зафиксированных на торце электрода быстрым охлаждением, по количеству, форме, размерам и распределению существенно отличаются от оксидов в электроде и аналогичны включениям в металле слитка ЭШП (табл. 43, рис. 90). Эти данные показывают, что рафинирование металла шлаком получает наибольшее развитие при оплавлении электрода. Здесь поглощается шлаком до 95 % всех удаляемых из металла включений, 35 % кислорода.

Необходимо отметить, что такое сопоставление не совсем правомерно, поскольку условия затвердевания металла проб не соответствуют условиям направленной кристаллизации металла при формировании слитка. Выше указывалось, что параметры дендритной структуры металла связаны с формой и размерами включений. Содержание газов, зафиксированное быстрым охлаждением проб, также не соответствует газонасыщенности металла ЭШП. Известно, в частности, что концентрация водорода в металлической ванне примерно в три раза превышает его концентрацию в слитке ЭШП.

Учет этих факторов позволит более контрастно выявить преимущественное рафинирование металла на торце электрода, что подтверждается поэтапным контролем химического состава переплавляемого металла в части легкоокисляемых элементов, поведение которых менее чувствительно к изменению условий затвердевания, чем газов и включений. Титан, алюминий и кремний окисляются преимущественно на торце электрода и в существенно меньшей мере в металлической ванне (табл. 44).

В настоящее время распространено мнение, что в металлической ванне нет включений и они образуются при затвердевании металла в двухфазной зоне. В основе такого утверждения, кроме фактов преимущественного рафинирования металла на торце электрода, лежат следующие данные. Во-первых, термодинамические расчеты показывают, что концентрация кислорода в металлической ванне соответствует равновесию с наиболее сильным элементом-раскислителем. Во-вторых, обнаруживаемые в металле слитка дисперсные оксиды расположены преимущественно в междендритных объемах. В-третьих, размер, форма и особенно химический состав оксидов в переплавленном металле не идентичны включениям в металле электрода и определяются составом переплавляемого металла, вариантом его раскисления и типом применяемого для ЭШП шлака. Так, иногда после ЭШП кислой стали включения кремнезема в металле не обнаруживаются, хотя, если следовать гипотезе о всплывании включений, какое-то количество исходных силикатов должно было бы сохраниться.

Допущение об отсутствии включений в металлической ванне оказывается полезным и пока единственно приемлемым для объяснения поведения при ЭШП не только кислорода и оксидов, но и легирующих элементов. Предполагают, что после исчезновения исходных включений между расплавами стали и шлака устанавливается термодинамическое равновесие. Концентрация кислорода в металлической ванне регулируется активностью элемента, обладающего в данных условиях наибольшим химическим сродством к кислороду:

Правомерность такого предположения подтверждается фактами установления равновесия реакций раскисления переплавляемого металла в отношении алюминия, титана, кремния, марганца (рис. 91).

Применяемый шлак оказывает влияние на активность продуктов раскисления и скорость их выделения из расплава стали. Варьированием его химического состава можно добиваться эффективного регулирования содержания кислорода, количества и химического состава оксидов в электрошлаковом металле.

Механизм этого явления объясняется следующим образом. При выплавке и раскислении исходного металла в ванне (например, в электродуговой печи) устанавливается равновесие между активностями элемента-раскислителя, кислорода и оксида (продукта раскисления). При ЭШП на границе металл — шлак реакция (4.16) получит дальнейшее развитие и новое состояние ее равновесия сместится вправо или влево в зависимости от активности упомянутого оксида в применяемом шлаке.

Руководствуясь этими соображениями, можно легко объяснить ухудшение степени рафипирования металла при ЭШП в случае применения шлаков, имеющих в своем составе оксиды, идентичные оксидным включениям в исходпом металле. Например, если переплавляется сталь, раскисленная алюминием, под шлаком АНФ-6, то степень рафинирования ее меньше, чем при использовании шлака АНФ-7. Для получения максимального эффекта рафинирования следует использовать шлаки, резко снижающие активность оксида, регулировавшего равновесие реакции раскисления при выплавке исходной стали, например, основные шлаки при переплаве металла, раскисленного кремнием.

Отсюда понятна и причина описанного выше исчезновения в переплавленной стали кислотных оксидов. При выплавке исходной стали, раскисленной кремнием, в ней зафиксировано определенное количество кислорода, обычно большее, чем при использовании более сильных элементов (алюминий, кальций). При ЭШП под шлаком АНФ-6, активность кремнезема в котором очень мала, содержание кислорода и кремния уменьшается в расплаве стали до тех пор, пока не будет достигнуто новое состояние равновесия. Одновременно, в связи с высокой активностью глинозема в шлаке, алюминий и кислород переходят в жидкий металл. В результате уменьшения содержания кислорода в расплаве стали реакция раскисления определяется содержанием не кремния, а алюминия, и при затвердевании металла в двухфазной зоне будут выделяться включения глинозема.

Понятно, что химический состав включений в электрошлаковом металле определяется соотношением активностей кислорода и элементов-раскислителей. Возможпо, вначале образуются оксиды элементов, имеющих наибольшее сродство к кислороду. Например, когда сталь содержит алюминий, первыми образуются включения корунда. Это способствует постепенному уменьшению активности алюминия в жидкой стали и при понижении температуры в двухфазной зоне могут ступепчато происходить реакции кислорода с кремнием, а затем и другими элементами, имеющими более низкое сродство к кислороду.

При контакте расплавленных металла и шлака при ЭШП повое соотношение активностей кислорода, элемента-раскислителя и оксида должно устанавливаться в отношении не к одному, а ко всем элементам, присутствующим хотя бы в одной из указанных фаз, как это требует закон действующих масс. Отсюда следует очень важный вывод, давно установленный эмпирически в области ЭШП: появление и увеличение содержания в составе шлака термодинамически непрочных оксидов свидетельствует о том, что реакция раскисления электрошлакового металла более не контролируется сильными элементами-раскислителями, а степень его окисленности очень высока. Равновесие реакции (4.16) для титана, алюминия, кремния в таких условиях сильно смещено вправо и при ЭШП происходит их интенсивное окисление и ошлакование. Особенно вредным в этом аспекте является присутствие закиси железа, которая служит своеобразным индикатором окисленности электрошлакового металла (рис. 92).

Основная причина появления в шлаке закиси железа, а также других оксидов — окисление поверхности электрода. Над уровнем шлаковой ванны он раскаляется до температуры 1200—1400 °С, а зона разогрева распространяется на значительное расстояние от оплавляемого торца. Толстый слой окалины в дальнейшем растворяется в шлаке, изменяя его химический состав. В результате распределение кислорода по высоте слитка оказывается неравномерным и металл в верхних его горизонтах более окислен, чем в нижних. Соответственно изменяется и химический состав металла в части высокореакционных легирующих элементов.

Характерно, что тщательная подготовка поверхности электрода абразивной зачисткой или обдиркой на станках не приводит к существенному улучшению качества электрошлакового металла по сравнению с металлом, полученным при переплаве электродов с тонким окисным слоем на поверхности. Поэтому при ЭШП вопросу подготовки расходуемого электрода уделяется значительно меньше внимания в сравнении с ВДП.

Однако для получения высококачественного электрошлакового металла толстый слой окалины с поверхности электродов необходимо удалять. Иногда с целью уменьшения степени окисления поверхности электрода над уровнем шлаковой ванны применяют защитные пасты или создают в кристаллизаторе защитную атмосферу. Ho наиболее действенное средство сохранения неизменным химического состава шлака и металла, достижения низкого и равномерного содержания кислорода в слитке — раскисление шлаковой ванны по ходу ЭШП. Технология ЭШП с раскислением шлака алюминием или смесью его с оксидами элементов, присутствующих в составе стали, является единственно приемлемой для переплава конструкционных сталей с повышенным содержанием алюминия, нержавеющих сталей с титаном, жаропрочных сплавов. Однако необходимо учесть, что иногда возможен нежелательный переход алюминия в металлическую ванну Поэтому раскисление шлака должно быть дозированным с изменением интенсивности введения алюминия в различные периоды плавки.

Металлургическим достоинством ЭШП по праву считается эффективная десульфурация стали. В этом аспекте ЭШП имеет неоспоримое преимущество не только перед ВДП, но и в сравнении с остальными переплавными процессами СЭМ. В ходе ЭШП достигается высокая (до 90 % отн.) степень удаления серы из переплавляемого металла и низкие (до 0,003 %) остаточные ее концентрации. Причем сульфиды в злектрошлаковом металле дисперсны и равномерно распределены по объему слитка.

Высокая эффективность десульфурации при ЭШП обусловлена высокотемпературным взаимодействием металла и шлака при значительной приведенной поверхности их реагирования. Поскольку закономерности рафинирования металла шлаком, в том числе и его десульфурация, изложены в параграфе 5 первой главы, охарактеризуем только особенности поведения серы при ЭШП.

Десульфурация металла при ЭШП начинается еще в так называемой зоне предплавления электрода. Здесь, на расстоянии примерно 2—10 мм от межфазной границы твердый — жидкий металл, при температурах выше 1100°C сульфиды диссоциируют. Вследствие высоких температурного и концентрационного градиентов сера диффундирует из твердого металла в пленку его расплава на торце электрода, откуда удаляется в шлак. В результате объемное содержание сульфидов в высокотемпературной зоне электрода еще до его оплавления снижается до уровня содержания сульфидов в пленке жидкого металла (рис. 93).

Данные металлографических исследований подтверждаются результатами химического анализа. В удаленных от шлаковой ванны участках электрода диаметром 800 и 1200 мм содержание серы составляло 0,012 и 0,018 %. В близлежащих участках оно постепенно уменьшалось и на расстоянии 1 мм от поверхности оплавления достигло соответственно 0,006 и 0,010 %. Таким же было содержание серы в каплях. В слитках ЭШП оно в обоих случаях дополнительно уменьшилось всего на 0,001 %.

Приведенная поверхность реагирования фаз при ЭШП так велика, что степень приближения десульфурации к равновесию достигает 96 %, причем основной реакционной зоной служит поверхность электрод — шлак. Поэтому главным фактором, определяющим показатели обессеривания металла при ЭШП, является состав шлака.

В соответствии с закономерностями обессеривания металла максимальный эффект десульфурации при ЭШП обеспечивается при высокой активности оксида кальция в применяемом шлаке (табл. 45).

Однако и в случае использования шлаков с меньшим количеством извести эффект обессеривания весьма значителен. Это связано с тем, что при ЭШП сера удаляется из шлака в газовую фазу

Роль переносчика серы в шлаковом расплаве играют ионы кальция. При малом содержании извести активность серы в шлаке высокая, а аниона кислорода — низкая, чем обеспечивается сдвиг равновесия реакции (4.19) вправо и, следовательно, быстрая и беспрепятственная «перекачка» серы из металла в атмосферу. Явление окисления серы па поверхности расплавов высокофтористых шлаков подтверждено экспериментально. Прекращение доступа воздуха к шлаковой ванне, достигаемое за счет подачи в кристаллизатор аргона, ведет к накоплению серы в шлаке (табл. 46).

При большом содержании оксида кальция в шлаке механизм удаления серы описывается реакцией (1.47). Высокая активность анионов кислорода и низкая активность серы в расплавах таких шлаков затрудняют окисление последней. Сера, перешедшая в соответствии с законом распределения из металла в шлак, остается в нем (см. табл. 46) предположительно в виде сульфида кальция.

Накопление серы в шлаке, естественно, ухудшает его десульфурирующую способность и приводит к неравномерному распределению серы по высоте слитка. Поэтому для сохранения неизменной степени обессеривания металла по ходу ЭШП требуется обеспечить достаточный окислительный потенциал газовой фазы в кристаллизаторе при использовании высокофторидных шлаков (типа АНФ-6), либо производить освежение шлаковой ванны в процессе ЭШП на известковистых шлаках, особенно при длительном ведении переплава.

Здесь необходимо напомнить об отрицательном влиянии на обессеривание даже небольших количеств оксидов железа и кремния в шлаке. Эффективным препятствием накопления их в шлаке служит раскисление последнего в ходе ЭШП (рис. 94).

Помимо состава шлака па степень обессеривания влияет химический состав переплавляемого металла, определяющий активность серы в расплаве. Так, с повышением содержания в стали углерода, кремния, алюминия количество удаленной серы из электрошлакового металла увеличивается (табл. 47).


Как отмечалось ранее, для удаления фосфора должны быть созданы условия, во многом противоположные тем, которые необходимы для десульфурации, а именно: пониженная температура и сильно окислительный высокоосновный шлак. Такие условия в принципе могут быть созданы и при ЭШП. В работах показана возможность обесфосфоривания при ЭШП армко-железа и стали 1Х18Н9Т. Однако удаление фосфора из переплавляемого металла наблюдается в основном в начале переплава. По мере наплавления слитка, повышения температуры шлака и накопления в нем фосфора возможен обратный переход фосфора в металл. Для восстановления рафинирующей способности требуется, как и в обычных сталеплавильных процессах, обновлять шлак, что, естественно, затрудняет получение качественного электрошлакового слитка. Кроме того, переплаву подвергают стали конечного химического состава, для которых создание окислительных условий недопустимо. Поэтому низкое содержание фосфора в металле ЭШП должно обеспечиваться при выплавке стали для электродов.

Электрошлаковый переплав не может быть эффективным средством удаления вредных цветных примесей из переплавляемого металла по сравнению с переплавными процессами в вакууме, хотя в случае применения чистых синтетических шлаков иногда и при ЭШП отмечают снижение концентрации этих примесей в металле (табл. 48).

Подытоживая описанное, металлургические особенности ЭШП можно кратко сформулировать следующим образом.

Содержание водорода в электрошлаковой стали зависит в основном от абсолютной влажности атмосферы и концентрации водорода в металле электрода. Наиболее эффективным средством уменьшения содержания водорода в металле или предотвращения его наводороживания при использовании электродов из дегазированной стали является всемерное снижение парциального давления водяного пара в атмосфере. В необходимых случаях полезно применение кислых шлаков, уменьшающих скорость массообмена водородом между металлической и газовой фазами.

Содержание азота в электрошлаковой металле определяется химическим составом переплавляемой стали. Оно снижается, если легирующая композиция стали обеспечивает в пей высокую активность азота. При высокой концентрации азота в шлаковой ванне содержание его в металле ЭШП может возрастать.

На поведение кислорода при ЭШП решающее влияние оказывает химический состав используемого шлака. Есть все основания полагать, что содержание кислорода и, следовательно, количество и состав оксидов в переплавленном металле соответствуют термодинамическому равновесию между кислородом и наиболее сильным для данных условий элементом-раскислителем. Варьируя химическим составом шлака, т. е. активностью продуктов основной для данной стали реакции раскисления, можно достигать низкого содержания кислорода, а также присутствия оксидов, наименее вредных для нее. В необходимых случаях низкий уровень окисленности стали, угара легирующих элементов и равномерное их распределение по высоте слитка могут быть достигнуты за счет раскисления шлаковой ванны в ходе переплава.

Электрошлаковый переплав обеспечивает высокую эффективность десульфурации металла. При использовании высокофторидных шлаков их серопоглотительная способность сохраняется в ходе переплава за счет окисления серы на поверхности шлаковой ванны и удаления газообразных продуктов реакции в атмосферу. Поскольку шлаки с высокой активностью оксида кальция в ходе ЭШП обогащаются серой, для поддержания неизменной степени десульфурации переплавляемого металла требуется периодическое освежение шлаковой ванны.

При ЭШП принципиально может осуществляться и дефосфорация металла. Однако обычно при ЭШП не реализуют этой возможности, так как переплав качественных сталей не допускает создания окислительных условий, требующихся для ошлакования фосфора.

Таким образом, в отличие от ВДП, являющегося пассивным металлургическим процессом, ЭШП позволяет влиять на направление и степень завершенности некоторых металлургических реакций, в частности раскисления и десульфурации, управлять химическим составом оксидов и уровнем загрязненности переплавленного металла включениями.

Исключительно высокая чистота металла может быть достигнута при двойном ЭШП. Особенно значительный эффект получается за счет использования разных шлаков при первом и втором переплавах. Так, применяя при первом ЭШП шлак с высокой обессеривающей способностью (АН-29), а при втором — хорошо удаляющий оксидные включения (АНФ-6), можно получить сталь наивысшей чистоты (рис. 95).

Наряду с этим металлургические возможности ЭШП зависят и от технологических особенностей переплава. Например, при чрезмерном уменьшении производительности процесса, которая связана с положением оплавляющего торца электрода относительно поверхности шлаковой ванны, усиливается окисление и азотирование металла, возрастает его загрязненность включениями, угорают легирующие элементы. Поэтому понятие оптимума технологического, электрического и температурного режимов применимо и к процессу ЭШП.

Большое значение придается выбору химического состава синтетического шлака, используемого для переплава. Требования, предъявляемые к шлакам ЭШП, можно разделить на две группы: технологические и металлургические. К первой группе относятся: легкое возбуждение и высокая стабильность электрошлакового процесса, хорошее формирование поверхности слитка и легкая отделимость от нее шлаковой корочки, неизменность состава шлака при хранении и переплаве. К основным металлургическим требованиям относятся: минимальная окислительная и высокая обессеривающая способность, хорошее поглощение включений и защита расплавленного металла от влияния воздуха.

Эти требования на практике часто вступают в противоречие, и создать шлаки, отвечающие им полностью, невозможно. Тем не менее в каждом конкретном случае можно подобрать такой шлак, который будет отвечать наиболее важным из них. Отметим, что наибольшему числу указанных требований удовлетворяет фтористый кальций, который был выбран в качестве основы подавляющего большинства шлаков, разработанных для ЭШП.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: