ОБРАБОТКА СТАЛИ ШЛАКАМИ

В тех случаях, когда основную роль в удалении примеси выполняет шлаковая фаза, скорость процесса пропорциональ­на величине межфазной поверхности шлак—металл, интенсив­ности и продолжительности перемешивания металла и шлака. На практике используют ряд технологий. Одна из них — использование высокоосновного и малоокисленного конечного шлака электроплавки. Если при этом в электропечи распла­вить лигатуру и смешать ее (вместе с таким шлаком) с ме­таллом, выплавленном в конвертере или мартеновской печи, получается так называемый "совмещенный" процесс (рис. 198). Падая с большой высоты в ковш, струя металла энергично премешивается с лигатурой и высокоосновным, раскисленным шлаком, происходит раскисление, легирование и десульфурация стали.

Во многих случаях в электропечах просто расплавляют один шлак (основные составляющие СаО и А1₂О_э) и этим шла­ком обрабатывают сталь, выплавленнную в конвертере, мар­теновской или электропечи. Операция называется "обработка металла синтетическим шлаком" (СШ). Такой метод обработки металла был предложен в 1925—1927 гг. нашим соотечествен­ником инж. А.С.Точинским.

В тех случаях, когда по условиям производства нет воз­можности разместить оборудование для расплавления синте­тического шлака, используют метод обработки металла твер­дыми шлаковыми смесями (ТШС). Обычно в состав таких сме­сей входят СаО, CaF₂, алюминиевая стружка и т.п. Эффек­тивность использования ТШС, естественно, ниже, чем жидких

"в соответствии с требованиями экологии масштабы использования фтор-чдержащих материалов сокращаются.

Рис. 198. Схема совмещенного процесса раскисления, легирования и рафиниро­вания стали

СШ. Основное требование к составам ТШС и СШ— минимум оксидов железа (для обеспечения максимального обессери­вающего эффекта).

При обработке металла синтетическим шлаком такого сос­тава (высокая основность и низкая окисленность) протекают следующие процессы:

1. Десульфурация. Обычно после обработки шлаком содер­
жание серы в металле снижается до 0,002-0,010 %.

2. Раскисление. В соответствии с законом распределения
и

а,. = с,„ _/L Поскольку в синте-

[О] (FeO) О '

тическом шлаке значение а ничтожно мало, окислен-

ность металла снижается (в полтора—два раза).

3. Удаления неметаллических включений. В тех случаях, когда межфазное натяжение на границе капля синтетического шлака — неметаллическое включение С_{с ш}__вкл меньше, чем межфазное натяжение на границе металл — неметаллическое включение с_м__вкл, т.е. при *_с._ш__вкл < <*_м__вкл, капли син­тетического шлака будут рафинировать металл от включений (капли шлака, всплывая, уносят неметаллические включе­ния). Соотношение между величинами с_сш__вкл и <т_м-вкл ^за~ висит от состава включений. Практика показала, что общее содержание неметаллических включений после обработки син­тетическим шлаком уменьшается примерно в два раза. При проведении операции обработки металла шлаком приходится учитывать нежелательность попадания в ковш, в котором производится обработка, вместе с металлом также и шлака из печи или из конвертера.

& 9. ВВЕДЕНИЕ РЕАГЕНТОВ В ГЛУБЬ МЕТАЛЛА

Продувка металла порошкообразными материалами. Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в ме­талл порошкообразных материалов) проводится для обеспе­чения максимального контакта вдуваемых твердых реагентов с металлом, максимальной скорости взаимодействия реаген­тов с металлом и высокой степени использования вдуваемых реагентов. Достоинством этого метода является также то, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, ко­торый оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть: 1) окислитель (например, кис­лород или воздух); 2) восстановитель (например, природный газ); 3) нейтральный газ (азот, аргон). В качестве вдува­емых реагентов используют шлаковые смеси, а также металлы или сплавы металлов. Метод вдувания порошков используют для ряда целей.

1. Дефосфорация металла. При использовании шлаковых смесей для удаления фосфора в металл обычно вдувается в струе кислорода смесь, состоящая из извести, железной ру­ды и плавикового шпати.

2. Десульфурация. Для удаления серы в металл вводят (в струе аргона или азота) флюсы на основе извести и плави­кового шпата; смеси, содержащие кроме шлакообразуюших также кальций или магний; реагенты, которые вследствие высоких энергий взаимодействия и соответствующего пиро-эффекта обычными способами вводить в металл нельзя (каль­ций, магний).

3. Раскисление и легирование, в том числе для введения металлов, которые вследствие вредного действия на здо­ровье обычными методами вводить опасно (свинец, селен, теллур).

4. Ускорение шлакообразования. В конвертерных цехах вдувание порошкообразной извести используют при переделе высокофосфористых чугунов.

5. Науглероживание. Вдувание в металл порошкообразных карбонизаторов (графита, кокса и т.п.) позволяет в раз­личных случаях практики решать разные задачи, в част­ности: корректировать содержание углерода в металле; при недостатке или отсутствии чугуна повышать в металле со­держание углерода до пределов, необходимых для нормаль-

ного ведения процесса; раскислять металл (вдувание в окисленный металл порошка углерода вызывает бурное разви­тие реакции обезуглероживания, содержание кислорода при этом уменьшается, а выделяющиеся пузыри СО промывают ван­ну от газов и неметаллических включений). Порошок графита или кокса можно вводить в металл непосредственно в печи, а также в ковш или на струю металла.

6. Метод вдувания в металл в ковше порошков может использоваться также для получения стали с регламентиро­ванным содержанием азота, а также для легирования крем­нием, никелем, молибденом, вольфрамом, свинцом и др. Для получения низкосернистой азотсодержащей стали могут ис­пользоваться смеси, содержащие цианамид кальция CaCN₂. В этом случае несущим газом является азот. При вдувании смеси кроме насыщения металла азотом одновременно проте­кают процессы науглероживания, раскисления и десульфу-рации. Условия перехода азота в металл из несущего газа улучшаются при снижении в стали содержания кислорода и серы; и кислород и сера являются поверхностно-активными элементами и препятствуют переходу азота в металл. Также, как в случае обработки стали СШ, состав попадающего из печи в ковш шлака в значительной степени влияет на проте­кание реакции десульфурации в ковше.

В настоящее время для введения в глубь, металла широко используют в порошкообразном виде различные Шлаковые сме­си, а также магний, барий, РЗМ; способы ввода реагентов в глубь металла разнообразны, поэтому под терминами "вдува­ние порошков", "инжекционная металлургия" понимают боль­шое число самых разнообразных технологий.

Наиболее распространенным реагентов, используемым в составе вдуваемых смесей, является кальций. Кальций ока­зывает положительное влияние как реагент, существенным образом влияющий на скорость удаления включений, посколь­ку присутствие кальция способствует переводу включений глинозема в жидкие алюминаты кальция, что, в свою оче­редь, способствует ускорению удаления включений из метал­ла. Сталь, подвергнутая обработке кальцием, характеризу­ется существенно более высокой обрабатываемостью, что способствует повышению производительности металлообраба­тывающих станков благодаря возможности работы на повышен­ных скоростях резания. Стали, обработанные кальцием, име-

ют лучшие показатели анизотропии свойств, при использова­нии введения в сталь кальция значительно улучшаются пока­затели механических свойств и снижается сегрегация в крупных слитках для поковок и др.

Процесс введения кальция в сталь характеризуется рядом особенностей: пироэффектом, малой степенью усвоения и соответственно повышенной стоимостью обработки и т.д. Учитывая это, распространение получили два приема работы: 1) добавка кальция в составе различных сплавов, смесей, соединений ("разубоживание" материала); 2) введение каль­ция (в виде этих смесей и соединений) не на поверхность, а в глубь металла ("инжекция" или "инъекция"). Термин "инжекционная" металлургия введен шведскими металлургами, разработавшими одну из разновидностей способа с использо­ванием фурм-образного вида (рис.199) и обозначается бук­вами Ij или / (Injection). Метод широко распространен за рубежом (под разными названиями); например, в ФРГ данный способ известен как TN-процесс . В США, Канаде и некото­рых других странах этот метод получил название САВ-процесса . Метод используют, в частности, при произ­водстве стали, применяемой для изготовления листа для сварных тяжелонагруженных конструкций. Жидкую сталь вы­пускают в ковш, закрываемый затем крышкой, через которую вводят фурму для вдувания кальция в струе аргона. Кальций испаряется и, поднимаясь вместе с пузырями аргона, связы­вает серу в сульфид CaS.

Введение материалов в виде проволоки. Такие материалы, как порошкообразный кальций, являются дорогостоящими. Практика показала, что существенная экономия кальция до­стигается при введении порошка кальция в .металл в виде проволоки, состоящей из оболочки (обычно- стальной), внутри которой находится спрессованный порошок. Промыш­ленность ряда стран выпускает проволоку с порошками спла­вов бария с бором, титаном, цирконием, теллуром, селеном и другими элементами. Оптимальным вариантом введения про­волоки является вариант ввода ее через специальное отвер­стие в крышке, которой накрывают в этом случае сталераз ливочный ковш. Однако получила распространение и более

По названию предприятия "Thyssen Niederrhein AG" (ФРГ). От слов Calcium—Argon—Blowing (кальций—аргон—продувка).

а

Рис. 199. Устройства для продувки стали кальцийсодержащими реаген­тами:

а — общая схема (/ — подъемно-опускающееся устройство; 2 — раз­даточный бункер; 3 — труба для продувки; 4 — крышка с огнеупор­ной футеровкой; 5 — фурма; 6 — ковш; 7 — накопитель фурм); б — фурма О — огнеупор; 2 — стальная трубка)

простая технология — введение проволоки в открытый ковш без крышки. Материалы можно вводить в металл одной прово­локой или двумя одновременно. При этом в составе одной проволоки может быть порошок силикокальция, в составе другой — алюминий. В большинстве случаев введение каль-цийсодержащей проволоки осуществляется в ковшах, оборудо­ванных устройствами для продувки (и перемешивания) метал­ла снизу через пористое днище (или пористые пробки) арго-

ном, чтобы обеспечить необходимые условия для удаления образующихся неметаллических включений. Проволоку полу­чают путем непрерывного введения порошкообразного силико­кальция в тонкостенную оболочку из низкоуглеродистой ста­ли, которую затем прокатывают до диаметра 5-18 мм и сма­тывают (длина проволоки 1250-3300 м) на металлические или деревянные катушки. Широкое распространение получила практика ввода в металл в виде проволоки алюминия

(рис. 200).

Рис. 200. Ввод проволоки в металл

Использование утапливаемых блоков. Для снижения угара и повышения эффективности использования таких легкоплав­ких или легкоиспаряющихся элементов, как алюминий, каль­ций, магний и др. некоторое распространение получил метод введения их в глубь металла (утапливание) в виде блоков (обычно при помощи крана, на футерованной штанге). Каль­ций, например, вводят в виде заключенного в тонкий сталь­ной кожух блока цилиндрической формы, состоящего из желе­за и кальция. Блок крепят на защищенной футеровкой штан­ге. Соотношение содержаний железа и кальция в блоке под­бирают таким, чтобы обеспечить постепенное взаимодействие кальция, снижение его потерь, а также уменьшение дымо- и пламеобразования. Для введения блоков в металл не тре­буется сложного оборудования. Еше более простым (и более распространенным) является метод опускания в металл алю­миниевых блоков.

 

Достаточно широкое распространение получил также метол обработки в ковше кипящей стали монолитным углеродом. При опускании в нераскисленный металл блока из углеродистого материала протекает реакция С + О = СО_г, вызывающая интенсивное кипение металла, его перемешивание и дегаза­цию, что сопровождается снижением окисленности.

§ 10. ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ВТОРИЧНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Одной из распространенных причин брака стали является вторичное (повторное) окисление металла, являющееся след­ствием взаимодействия металла с кислородом воздуха при выпуске и разливке, а также с конечным окислительным шла­ком, огнеупорами и т.п. Развитие процессов вторичного окисления определяется процессами взаимодействия:

1. Металла с окисленным печным шлаком после введения раскислителей в печь.

2. Струи металла с атмосферой при выпуске металла в сталеразливочный ковш.

3. Металла, выпущенного из конвертера или печи, с окисленным шлаком, попавшим вместе с металлом в ковш.

4. Струи металла с атмосферой при переливе металла из сталеразливочного ковша в промежуточное разливочное устройство (промежуточный ковш).

5. Поверхности металла в промежуточном ковше с атмо­сферой.

6. Струи металла, с воздухом, захваченным (эжектиро-ванным) струей металла при разливке по изложницам или в кристаллизатор установки непрерывной разливки.

7. Поверхности металла в изложнице или кристаллизаторе с атмосферой.

8. Металла, раскисленного сильными раскислителями (кальцием, магнием, резкоземельными металлами) с оксидами футеровки ковша.

Окислительный потенциал воздуха (21% 0₂) определяется значением р"^озд = 0,021 МПа; потенциал атмосферы, равно-

весной с чистым расплавленным железом, р^чж = 10~^эПа;

потенциал атмосферы, равновесной с железом, раскисленным такими раскислителями, как кремний, алюминий и др., рраск.ж _ ю~⁵*10^-7 Па. Огромное (почти десять порядков)

различие окислительного потенциала воздуха и раскисленно­го металла определяет трудность защиты металла от вторич­ного окисления.

Помимо окисления струя металла при выпуске и разливке взаимодействует с азотом и влагой воздуха.

Парадокс заключается в том, что чем чище от примесей металл (в результате внепечной обработки), чем меньше в нем таких, например, поверхностно-активных примесей, как сера, "блокирующих" поверхность, тем больший вред качест­ву может нанести контакт с атмосферой. Поэтому предотвра­щение такого контакта струи металла, подвергнутого вне-печной обработке, является обязательным.

Из существующих многочисленных способов защиты металла чаще используют следующие: 1) отсечку окислительного ко­нечного шлака и наведение в ковше шлака, не содержащего оксидов железа; 2) защиту струи металла инертным (или восстановительным) газом; 3) организацию уплотнения между сталеразливочным и промежуточными ковшами; 4) введение при помощи удлиненных разливочных стаканов струи металла вглубь (так называемая "разливка под уровень").

Используются и другие приемы работы. Так, на некоторых металлургических заводах Японии получил распространение такой прием, как загрузка на дно ковша перед выпуском плавки сухого льда, обильное испарение которого создает газовую завесу, предотвращающую переход в металл азота из атмосферы. Такой прием обеспечивает получение конвертер­ной стали с гарантированно низким содержанием азота. При­мером организации одновременно и защиты струи от воздей­ствия атмосферы и обработки вакуумом является описанный выше (см. рис. 187) метод непрерывного вакуумирования струи, внедренный на НЛМК.

§11. МЕТОДЫ ОТДЕЛЕНИЯ ШЛАКА ОТ МЕТАЛЛА ("ОТСЕЧКИ" ШЛАКА)

Одним из важных элементов успешного проведения операций внепечной обработки является контроль и регулирование ко­личества шлака, попадающего при выпуске в ковш.

Методы удаления шлака с поверхности металла в ковше (установка ковша на платформу, оборудованную устройствами для наклона, конструирование специальных гребков и т.п.)

Рис. 201. Установка для скачивания шлака с поверхности металла в ковше

Рис. 202. Пневматическая пробка для отсечки шлака в конвертере

сложны (рис. 201). Большое распространение получили мето­ды загущения шлака (например, введение порции холодного доломита) для затруднения его вытекания из агрегата. Од­нако такие методы не позволяют полностью отсечь конечный шлак при выпуске. Известен ряд решений организации отсеч­ки шлака при выпуске из мартеновских печей.

В конвертерных цехах распространение получили способы закупоривания сталевыпускного отверстия (летки) с исполь­зованием различного рода пробок (рис.202). На ряде

металлургических заводов при выпуске металла из печи или конвертера используют более простой прием: ковш с метал­лом в момент появления шлака отводят от агрегата; этот метод, однако, не обеспечивает стабильности результатов и сопровождается потерями металла. Проблема отсечки конеч­ного шлака остается одной из важных. Наиболее благо­приятны условия для отсечки конечного шлака при работе дуговых электропечей с донным или эркерным выпуском.

Поиск по сайту: