Металлургия » Электрометаллургия стали » Способы обработки стали в ковше без вакуумирования и подогрева.

Способы обработки стали в ковше без вакуумирования и подогрева.

 (голосов: 0)
Способы обработки стали в ковше без вакуумирования и подогрева.
Продувка металла инертным газом в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом, так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. 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 неметаллических включений. Масса пузырьков инертного газа облегчает процессы газовыделения, так как сами эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой поверхность раздела, что очень важно для образования новой фазы.
Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому там, где это возможно, продувка инертными газами заменяет обработку вакуумом; приходится, однако, учитывать, что продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла.
В общем случае при продувке металла инертными газами:
1). Уменьшается содержание газов в металле.
2). Происходит энергичное перемешивание расплава, облегчается протекание процессов удаления в шлак неметаллических включений, состав и температура металла усредняются.
3). Облегчаются условия протекания реакций окисления
углерода.
4). Снижается температура металла.
Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т. п.), часто применяют азот. В интервале температур 1550— 1600°С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития.
Расход инертного газа составляет обычно 1,5-3,0 м3/т стали. В зависимости от массы жидкой стали в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5~4,5°С/мин (без продувки металл в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0сС/мин). Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и на излучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связана именно с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша при продувке крышкой, позволяет сократить потери тепла; при этом одновременно снижается степень окисления обнажающегося при продувке металла. При выборе метода обработки учитывают, что при продувке через пористые огнеупоры обеспечивается максимальная поверхность контакта металл — инертный газ. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого «ложного» стопора. Продувочные устройства типа «ложного» стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не надо вносить никаких изменений, но они имеют существенный недостаток: ложные стопоры (как и обычные) — устройства одноразового использования. В результате интенсивного движения вдоль стопора металлогазовой взвеси составляющие его огнеупоры быстро размываются. Более распространен другой способ продувки — через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные пробки; в тех случаях, когда продувка производится одновременно через несколько пробок, эффективность воздействия инертного газа на металл существенно увеличивается. Пористые огнеупорные пробки выдерживают несколько продувок.
Определенное распространение имеет также практика продувки металла через пористое днище ковша. Лучшим в изготовлении оказалось днище из обычных огнеупоров с пористыми швами. Стойкость такого днища составляет 10-20 плавок, т. е. оно служит всю кампанию ковша и заменяется при ремонте футеровки. Из перечисленных способов чаще всего на практике все %t используется способ продувки через несколько (обычно 3-4) пористых пробок, расположенных примерно на серединах радиусов днища ковша, что обеспечивает вполне удовлетворительное перемешивание объема металла в ковше.
Как было отмечено выше, при продувке инертным газом выравнивается состав и регулируется температура металла, ускоряются процессы растворения в металле введенных в ковш ферросплавов, облегчается процесс всплывания неметаллических включений, происходит дегазация стали. Кроме того, имеются данные о том, что вследствие вызываемого продувкой интенсивного перемешивания определенные изменения происходят и в строении жидкой стали. Степень протекания всех перечисленных процессов зависит от продолжительности продувки и от ее интенсивности (т. е., в конечном счете, от расхода инертного газа). Продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали уже достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0 м3/т влияет на очищение металла от неметаллических включений; для достижения ощутимых результатов в дегазации необходимо израсходовать инертного газа > 2—3 м3/т металла.
Обычно продувке инертным газом подвергается хорошо раскисленный металл. При продувке же не полностью раскисленного углеродистого металла, кроме перечисленных процессов, происходит также окисление углерода и восстановление оксидных неметаллических включений (продувка инертным газом, уменьшая парциальное давление окиси углерода сдвигает вправо равновесие реакций [С] + [0] = {СО}газ и [С] + [Ме0]=[Ме]+{С0}газ. Продувка и вызываемое этим перемешивание металла улучшают условия зарождения и выделения пузырьков СО. Вследствие всего этого при продувке снижается окисленность металла, уменьшается содержание оксидных неметаллических включений.
Совмещение продувки инертным газом с обработкой синтетическим шлаком позволяет резко повысить эффективность использования шлаковых смесей, так как энергичное перемешивание при продувке увеличивает и продолжительность контакта металла со шлаком, и величину поверхности контакта. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрывается крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет металл от окисления, а снижение величины теплопотерь позволяет удлинить время контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана разработанная компанией NSC (Япония) технология так называемого САВ-процесса (Capped-Ar-Bubbling — закрытая продувка аргоном).
Введение в металл добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается в несколько усложненном способе защиты зоны продувки, названном способом GAS (Composition Adjustment by Sealed Argon — регулирование состава при «закрытой» продувке аргоном. По этому способу в ковш сверху вводится огнеупорный колпак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим конусом таким образом, что внутри этого колпака шлака нет. Сверху в колпак вводят ферросплавы, снизу подают аргон для продувки. Этот метод позволяет достичь высокой степени усвоения элементов, вводимых с добавками в металл, даже таких, как углерод и алюминий. Общее содержание кислорода в ванне снижается быстро до уровня < 0,004 %, в то время как при обычном перемешивании аргоном содержание кислорода часто находится в пределах 0,005—0,010 %.
В тех случаях, когда необходимо перемешивать металл под шлаком длительное время, в крышку, которая накрывает ковш, опускают электроды и подогревают ванну. В этих случаях использование обычного шамота в качестве огнеупорного материала ковша исключается, так как продолжительный контакт жидкоподвижного высокоосновного шлака с шамотной футеровкой, состоящей из кремнезема, приводит к быстрому выходу футеровки из строя. Ковши необходимо футеровать основными высокоогнеупорными материалами (доломит, магнезит). Перевешивание металла со специально приготовленным («синтетическим») шлаком позволяет интенсифицировать процесс перехода в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлако-8ую фазу (сера, фосфор, кислород).
В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности. Чаще всего этот способ используют для удаления серы, поэтому основным компонентом синтетического шлака является известь (иногда также плавиковый шпат); поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. В тех случаях, когда ставится задача очистить металл от неметаллических включений определенного состава, соответственно подбирают состав и синтетического шлака. На практике задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и температуры и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз. Естественно, что при этом должны быть обеспечены условия, необходимые для последующего отделения шлака от металла.
Цель продувки металла порошкообразными материалами (или вдувания в металл порошкообразных материалов) — обеспечить максимальное очищение металла от вредных примесей путем обеспечения хорошего 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 сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть:
а) окислитель (например, кислород или воздух);
б) восстановитель (например, природный газ);
в) нейтральный газ (например, аргон).
В качестве вдуваемых реагентов используют шлаковые смеси, а также металлы или сплавы металлов. При использовании Ушаковых смесей для удаления фосфора в металл обычно вдувается в струе кислорода смесь, состоящая из извести, железной руды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдувается в струе аргона смесь извести и плавикового шпата.
Способ вдувания материалов может быть использован для введения в металл (в струе нейтрального или восстановительного газа) таких реагентов, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, магний) или из-за вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).
Из всех существующих разновидностей метода обработки металла порошкообразными материалами наибольшее распространение получил метод вдувания в металл в ковше сильных раскислителей и десульфураторов.
Сущность технологии заключается во вдувании в металл в ковше (накрытом крышкой или без крышки, через дополнительный «стопор», сбоку, снизу и т. д.) в струе инертного газа различных смесей. Используются для вдувания порошки различного состава; силикокальций, смесь CaSi+CaO+CaF2, смесь CaO+CaF2, смесь Mg+CaO+CaF2, силикокальциевомагаиевый сплав в смеси с известью, смесь Ca+CaF2+Al и др. Технология, в зависимости от целей, может использоваться для десульфурации, науглероживания (при вдувании графита), связывания азота, легирования, раскисления и др. Оборудование для проведения операции применяется различное, названия вариантов процесса также различные. В Швеции процесс получил название «инжекцион-ная металлургия» (Injection Metallurgy), а оборудование для вдувания принято обозначать буквами SL (Scandinavian Lancers). Так, например, шведская фирма Uddeholm использует установку для вдувания порошков в целях десульфурации стали, предназначенной для производства гидравлических труб, благодаря чему сократились периоды десульфурации и раскисления в дуговых электропечах. Десульфурация осуществляется вдуванием в глубь металла порошка силикокальция (61 % Si, 32 % Са). За 6 мин. вдувания содержание S с 0,020 % снижается до 0,008 %, уменьшается содержание неметаллических включений. При этом значительно повышается жидкотекучесть металла, что улучшает условия разливки. Фирма отмечает, что качество металла стало настолько стандартным, что появилась возможность отменить ряд длительных и трудоемких операций контроля механических свойств. Именно это обстоятельство (уверенность в получении стандартных показателей) делает способ особенно привлекательным.
В Германии метод вдувания в металл порошкообразных реагентов известен как TN-процесс (по первым буквам наименования компании Thyssen Niederrhein AG, внедрившей этот метод для получения толстых листов повышенного качества и улучшенной свариваемости). Метод заключается во введении в сталь порошкообразных щелочноземельных металлов в струе инертного газа через фурму и ковш. Фурма погружается в сталь на большую глубину. Щелочноземельные металлы вводятся в виде промышленных сплавов Ca-Si, карбидов Са и Mg в гранулированной форме. В результате обработки получается сталь с исключительно низким содержанием включений, равномерно распределенных, глобулярной формы, которые не деформируются в процессе горячей прокатки. Введение щелочноземельных металлов в расплав в ковше с основной футеровкой обеспечивает высокую степень раскисленности расплава и создает благоприятные условия для удаления серы до значений < 0,002 %. Содержание кислорода находится на уровне 0,0006-0,0008 %.
Применение данного метода позволяет полностью перенести процесс рафинирования в ковш. При этом в ряде случаев отпадает необходимость использования вакуумной обработки. Расход щелочноземельных металлов составляет 0,97 кг Са/т или 0,38 кг Mg/т стали. Имеются сообщения, что TN-метод позволяет получать < 0,002 %S и представляет особый интерес для цехов, использующих лом, когда нет возможности проводить десульфурацию жидкого чугуна. В США, Канаде и некоторых других странах метод вдувания в металл кальцийсодержащих материалов получил наименование САВ-процесса (Calcium Argon Blowing), который используется, в частности, для производства стали, идущей на изготовление листа для сварных тяжелогруженых конструкций (буровые морские платформы, генераторы атомных станций, арктические газопроводы и т. д.). Жидкую сталь выпускают в ковш, закрываемый затем крышкой, через которую вводят фурму для вдувания кальция (или иногда магния) в струе аргона. Кальций испаряется и, поднимаясь вместе с пузырьками аргона, связывает серу в сульфид CaS, который ассимилируется шлаком. В результате получаемые слитки стали содержат < 0,010 % S в виде твердых сферических недеформируемых при прокатке неметаллических включений размером 10 мкм, равномерно распределенных по сечению слитка. В обычной же стали остаточные неметаллические включения размером 100 мкм имеют более низкую температуру плавления и сильно вытягиваются в направлении прокатки. В качестве реагента, обеспечивающего десульфурацию и раскисление, используется также магний. Использование для десульфурации порошка сюшкокалышя весьма заманчиво вследствие более легкой организации измельчения, пневмотранспорта и подачи порошка силикокалыдия через фурму, однако вдувание смеси СаО + Mg позволяет получить низкие концентрации серы заметно быстрее. Во избежание вторичного окисления сталь, обработанная кальцием и магнием, должна разливаться или под вакуумом или при защите струи инертным газом.
Кальций оказывает положительное влияние не только как десульфуратор и раскислитель но и как реагент, существенным образом влияющий на скорость удаления включений. Это объясняется тем, что присутствие кальция способствует переводу включений глинозема в жидкие алюминаты кальция, причем для любых марок стали кальций переводит скопления глинозема в жидкие алюминаты, если количество кальция в 3 раза больше общего содержания кислорода в ванне. Этот процесс, в свою очередь, способствует ускорению удаления включений из металла. Метод вдувания в металл в ковше порошков используется также для получения стали с регламентированным содержанием азота, а также для легирования кремнием, никелем, молибденом, вольфрамом.
Так, на заводе Smedjebacken (Швеция) разработан и внедрен новый метод получения низкосернистой азотсодержащей стали путем продувки металла в ковше смесями, содержащими цианамид кальция CaCN2.
Металл выпускается в ковш, футерованный высокоглиноземистым кирпичом. Консольный поворотный кран опускает в ковш футерованную плавленным высокоглиноземистым огнеупорным материалом фурму. Глубина погружения фурмы -2,5 м. Состав вдуваемой смеси (в %): CaCN2 — 55, СаО — 33, С — 12, Са —33. Плотность смеси 2,0 кг/дм3. Несущий газ — азот. При вдувании смеси, помимо насыщения металла азотом, одновременно протекают процессы науглероживания, раскисления и Десульфурации. Продувка влияет также на состав и форму неметаллических включений. Такой метод введения в металл азота позволяет с удовлетворительной точностью следить за приращением азота в зависимости от его количества, введенного с цианамидом кальция. Усвояемость азота при введении его в виде CaCN2 составляет 75—100 %. Наилучшие результаты по десульфурации получаются при введении в металл кальция в количестве 600 г/т стали; степень десульфураиии достигает при этом 60 %, а содержание серы снижается до уровня 0,010 %.
В настоящее время для обработки стали порошкообразными смесями используется большое число различных составов смесей. Наряду с такими соединениями, как CaSi, CaC2 и CaCN2, в отдельных случаях применяются магний в смеси с известью или плавиковым шпатом, смеси извести и плавикового шпата, СаС2+СаО и т.д.
В ряде работ показано, что при обработке стали кальцием качество разливаемости на установках непрерывной разливки зависит от отношения %Са / %А1. При значениях этого отношения 0,10, то преобладающим типом включений являются жидкие включений Са02А1203, что способствует хорошей разливаемости. Для обычных содержаний А1 - 0,015-0,040 % хорошая разливаемость может быть получена при содержании Са 0,002-0,006 %. Тщательное исследование процесса изменения количества неметаллических включений в процессе вдувания в ковш порошка СаС2 провели на заводе Kobe Works (Япония). Обработка СаС2 проводится в 85-т ковше с высокоглиноземистой футеровкой. Фурма представляет собой стальную трубу диаметром 20 мм, покрытую шамотным кирпичом (в шлаковой зоне — цирконовым кирпичом). Глубина погружения фурмы 2 м. Вдувание порошка (в струе аргона) и продувка аргоном производится через 2 горизонтальных отверстия диаметром 16 мм.
Время вдувания порошка составляет 15 мин. После вдувания порошка металл перемешивается аргоном в течение 10 мин. При этом имеет место падение температуры на 60°С. При продувке порошком СаС2 достигается степень десульфурации ~ 80 %. Это результат воздействия не только Са, но и высокоосновного шлака, вводимого в ковш перед обработкой.
Помимо метода вдувания, достаточно широкое распространение получил метод ввода в металл сильных раскислителей или раскисляющих смесей (в виде порошка), помещенных в стальную оболочку в виде проволоки. За рубежом этот метод называют Wire-feeder-process, т. е. процесс питания проволокой.
В случае использования алюминия можно использовать просто алюминиевую проволоку. Проволока может вводиться как в ковш, так и в кристаллизатор (при непрерывной разливке) или непосредственно в изложницу. Для использования этого метода выпускается специальное оборудование, рассчитанное на использование проволоки квадратного, треугольного, многогранного или круглого сечения диаметром от 3 до 20 мм и автоматический контроль за скоростью ввода проволоки.
В Японии компанией Hitachi Cables Ltd в бунтах 50-100 кг выпускается проволока, названная Ferrokal. Сердцевина проволоки состоит из кальция или Са + А1, защитный кожух имеет состав: 0,10 % С, 0,25—0,45 % Мп; поверхность защищена специальным покрытием от воздействия атмосферы. Диаметр проволоки 4,6—7,0 мм. Толщина защитного кожуха 0.2 мм. Соотношение Са/А1 может меняться от 10 : 0 до 10: 10.
В некоторых случаях, когда в стали строго контролируется содержание углерода и кремния, использование Si-Ca и СаС2 исключается. В этих случаях используется стальная проволока, плакированная чистым кальцием. Проволока подается в металл внутри керамической трубы через крышку вакууматора.
Что касается ввода алюминия, то необходимо упомянуть также о таком сравнительно простом способе воздействия на металл в ковше, каким является метод опускания (окунания) в металл алюминиевого слитка. На одном из заводов японской фирмы Kawasaki Steel Corp., где этот способ используется, его назвали способом Rapid Al Feeder, т. е. способом «быстрого питания алюминием».
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики