5 Внепечная обработка стали

До середины XX века сталеразливочный ковш выполнял роль ем­кости для передачи жидкой стали от плавильного агрегата к излож­ницам или кристаллизаторам МНЛЗ. Как показала практика, сталеразливочный ковш может быть использован для дегазации, раскисления, десульфурации, легирования, обезуглероживания стали и др. При этом может быть существенно сокращена продолжитель­ность процесса плавки в сталеплавильном агрегате при одновремен­ном повышении качества готового металла.

Поэтому на всех металлургических предприятиях при выплавке стали применяют различные способы внепечной обработки: раскисление-легирование, вакуумирование, обработка металла синтетическими шлаками, порошками, нейтральными газами.

5.1 Раскисление и легирование стали в ковше

Атмосфера большинства сталеплавильных агрегатов — окисли­тельная. При окислительном характере газовой фазы какое-то коли­чество кислорода всегда переходит из газовой фазы в металл.

Растворимость кислорода в γ-Fe при температуре плавления (1539ºС)
составляет 0,034 %, и далее при охлаждении она изменяется в со­ответствии с уравнением lg [О] = - 12630/Т + 5,51, а также скачкообразно уменьшается при полиморфных превращениях железа γ-β-α. Это при­водят к выделению из металла кислорода в виде дисперсной оксидной фазы. Чем меньше содержание кислорода, тем позднее начинается это выделение. При относительно низких концентрациях кислорода его обособление в самостоятельную фазу происходит уже во время службы изделия, что способствует охрупчиванию (старению) стали. Выделение кислорода в виде оксидной фазы при температурах прокатки или ковки может быть причиной плохой деформируемости стали в горячем состоянии и ее пониженной пластичности (особенно низкой ударной вязкости).

Для устранения отрицательных последствий присутствия кислорода сталь раскисляют. Раскисление заключается в связывании растворенного в металле кисло­рода в прочные оксиды, которые в большей части удаляются из металла.

Если металл содержит примеси, сродство которых к кислороду выше, чем у железа, то происходит окисление этих примесей и концентрация кислорода в металле уменьшается.

Если эти примеси вводят в ванну специально для того, чтобы уменьшить содержание кислорода, то их называют раскислителями. В качестве таких элементов-раскислителей используют марганец, кремний, алюминий, кальций, редко­земельные элементы. Раскислителем является также углерод. Кислород, растворенный в металле, реагирует с углеродом, и в результате реакции [О] + [C] = СО_газ происходит кипение металла.

Рекомендуемые материалы

В случае введения в металл элементов в количествах, превышающих их расход на раскисление стали (связывание кислорода), то процесс называют легированием стали

Способы раскисления и легирования стали

Технологическую операцию, при которой растворенный в ме­талле кислород переводится в нерастворимое в металле соединение или удаляется из металла, называют, раскислением. После операции раскисления сталь называют раскисленной. Такая сталь при засты­вании в изложницах ведет себя «спокойно», из нее почти не выде­ляются газы, поэтому такую сталь часто называют «спокойной». Если же операцию раскисления не проводить, то в стали при ее по­степенном охлаждении в изложнице будет протекать реакция между растворенным в металле кислородом и углеродом [О] + [С] = СОгаз. Образующиеся при этом пузырьки окиси углерода будут выделяться из кристаллизующегося слитка, металл будет бурлить. Такую сталь называют «кипящей».

В некоторых случаях раскисление стали проводят таким обра­зом, чтобы удалить из нее не весь кислород. Оставшийся растворенный кислород вызывает кратковременное «кипение» металла в начале его кристаллизации. Такую сталь называют «полуспокойной».

В современном производстве стали применяют следующие способы раскисления стали: а) глубин­ное (осаждающее); б) диффузионное; в) обработкой синтетическими шлаками; г) обработкой вакуумом.

5.2 Обработка металла вакуумом

Газовая фаза образуется при протекании реакции окисления углерода, процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

При обработке вакуумом равновесие реакции [С] + [О] = CO сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода.

[О] = рсо/К [C].

Следовательно, обработка стали в вакууме позволяет уменьшить концентрацию кислорода в расплаве пропорционально снижению остаточного давления.

В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодей­ствия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений по реакции (МеО) + [С] = [Me] + СО_Г.

МnО или Сг₂О₃, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, (А1₂О₃ или ТiO₂) требуется очень глубокий вакуум.

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали во­дорода и азота. Cодержание водорода в ме­талле определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе  Аналогично для азота.

Таким образом, при обра­ботке металла вакуумом в нем уменьшается содержание растворен­ных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметалли­ческих включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков металл перемешивается, становится однород­ным, происходит «гомогенизация» расплава.

Способы вакуумной обработки стали: вакуумирование в ковше (с продувкой инертным газом и подогревом), порционное и циркуля­ционное вакуумирование, вакуумирование в процессе разливки.

5.3 Продувка металла инертными газами в ковш

Влияние продувки  металла   и н е р т н ы м и  газами на качество металла аналогично обработке вакуумом. Каждый пузырек представляет собой «вакуумную камеру», так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю, поэтому газы, раство­ренные в металле, переходят в пузырь и вместе с ним удаляются в атмосферу. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава; в тех случаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком НМВ; если этот имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит также десульфурация металла.

Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами заменяет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку металла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное перемешивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным.

В про­мышленных условиях применяют три способа продувки металла аргоном: через пористые огнеупорные вставки в днище ковша; через ложный стопор, оканчивающийся огнеупорной пробкой с радиально расположенными отверстиями диаметром 0,5— 1,0 мм; через футерованную фурму, опускаемую в металл сверху.

Таким образом, при продувке металла инертными газами достигают: 1) энергичного перемешивания расплава, облегчения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей; 2) усреднения состава металла; 3) уменьшения содержания газов в металле (кислорода и водорода); 4)   облегчения   условий   протекания   реакции   окисления   углерода; 5) снижения температуры металла.

5.4 Внеагрегатная десульфурация

Удаление серы в стале­плавильных процессах осуществляется путем перевода ее в соеди­нения, не растворимые в металле и хорошо растворимые в шлаке. Таким соединением является CaS.

В условиях мартеновской или конвертерной плавки при высокой окисленности шлака (Σ(FeO) до 10-12 % и выше) коэффициент распределения серы (Ls = (S)/[S]) между шлаком и металлом не превышает 4—8. Процесс уда­ления серы может быть ускорен при обработке стали в ковше синтетическим шлаком, обладающим высокой десульфурирующей способностью, при одновременном сокращении продолжительности плавки.

Обработка стали синтетическими шлаками

Технологическая схема процесса: порцию шлака в количестве 3—6 % от массы стали заливают в сталеразливочный ковш, а затем в этот же ковш выпу­скают сталь.

Струя жидкой стали, падающая в ковш с высоты >3,0 м, эмульгирует шлак, поэтому поверхность раздела «шлак—металл» в десятки раз превышает поверхность взаимодействия металла и шлака в по­довых сталеплавильных процессах. Вследствие этого резко возра­стает скорость перехода серы из металла в шлак.

Как показывает опыт, за время выпуска плавки (10—15 мин) содержание серы снижается с 0,015—0,033 до 0,005—0,012 %, а фактический коэффициент распределения серы между металлом и шлаком колеблется в пределах от 27 до 77.

Поскольку в таком шлаке практически нет окислов железа, он яв­ляется одновременно хорошим раскислителем.

Таким образом, обработка стали жидким известково-глиноземистым шлаком способствует снижению содержания серы и кислорода, а также загрязненности металла неметалличе­скими включениями.

Степень удаления серы колеблется в пределах 50—80 %.

Достаточно высокая степень десульфурации (~40 %) достигается также и при обработке стали в ковше при выпуске твердыми порошкообразными синтетическими шлаками или экзотермическими шлакообразующими смесями. Эффективным методом внеагрегатной десульфурации может служить вдувание в металл порошкообразных материалов (СаО, СаО + CaF₂, CaC₂, SiCa + СаО) и др. в струе инертного газа. Обычно подача порошков производится при помощи футерованной трубы, погружаемой в металл на глубину до 3 м. Порошкооб­разные материалы можно вводить в сталь также в виде специаль­но изготовленной порошковой проволоки.

Модифицирование. Одним из эффективных способов уменьшения вредного влияния серы является изменение состава сульфидных неметаллических включений при помощи элементов, образующих с серой тугоплавкие соединения, не растворимые в жидком железе. В первую очередь к таким элементам относятся ЩЗМ и РЗМ.

Люди также интересуются этой лекцией: Видеоустройства персональных ЭВМ.

Применение ЩЗМ и РЗМ

В сталеплавильной практике широко используется способность кальция, магния, бария, церия, лантана и других ЩЗМ и РЗМ и их сплавов образовывать прочные соединения с кислородом и серой, не растворимые в жидком железе. При благоприятных условиях значительная часть образу­ющихся оксидов и сульфидов удаляется из жидкой стали, а оста­ющиеся в металле соединения имеют сферическую форму, которая практически не изменяется в процессе пластической деформации.

Из ЩЗМ в производстве стали наибольшее применение получил кальций, который обычно вводят в хорошо раскисленную сталь в виде сплавов с кремнием, алюминием, барием и др., содержащих до 30 % Са.

В про­цессе всплывания пары кальция взаимодействуют с кислородом и серой по реакциям:Ca_г + [O] = CaO_тв; Ca_г + [S] = CaS_тв,

Кальций способствует образованию неметаллических включений глобулярной формы.

Из РЗМ в сталеплавильных процессах наиболее широкое приме­нение нашли церий, лантан, их сплавы. РЗМ вводят в сталь в виде мишметалла или ферроцерия (70— 95 % РЗМ). Используют также различные лигатуры.