Технология получения качественной стали

Кудрин В.П., Парма В.
Металлургия, 1984 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Кудрин В.П., Парма В. Технология получения качественной стали

5. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА СИНТЕТИЧЕСКИМ ШЛАКОМ

Перемешивание металла со специально приготовленным ("синтетичес­ким”) шлаком позволяет интенсифицировать процесс перехода в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую 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 шпаке практически нет окислов 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.

Обработка стали в ковше жидкими синтетическими шлаками, как спо­соб очищения металла от нежелательных примесей, был предложен в 1925 г. советским инженером А.С.Точинским; в 1933 г. способ обработки металла жидкими известково-глиноземистыми шлаками был запатентован французским инженером Р.Перреном.

Из прошедших проверку способов обработки металла шлаками широ­кое распространение получили:

а)         обработка стали при ее выпуске твердыми смесями (состоящими обычно из CaO и CaF2) расплавляющимися за счет тепла жидкой стали с целью десульфурации;

б) обработка стали жидкими известково-глиноземистыми шлаками с целью десульфурации и раскисления металла;

в) обработка металла во время разливки и кристаллизации шлаками различного состава с целью удаления вредных примесей и получения хо­рошей поверхности слитка;

г) введение на жидкий металл в ковше синтетических твердых смесей (состоящих из CaO, SiO2 и Al2O3), расплавление их за счет тепла дуг от электродов, вводимых через крышку ковша, и продувка металла снизу аргоном (или азотом) для перемешивания со шлаком с целью десульфу­рации и удаления неметаллических примесей.

В 1927 г. А.С.Точинский впервые в мире провел промышленные экспе­рименты по дефосфорации бессемеровской стали известково-железистым шлаком, а в 1928—1929 гг. рафинировал основную мартеновскую сталь кислым шлаком для раскисления (содержание кислорода в металле уда­лось снизить на 30—55 %). Позднее известково-железистые шлаки (60— 65 % CaO и 20—35 % окислов железа) неоднократно применяли для обра­ботки конвертерной стали, получая высокую степень дефосфорации. Так, содержание фосфора в томасовской стали удавалось снизить с 0,060 до 0,010 %, а в рельсовой бессемеровской стали с 0,05-0,09 до 0,01-0,03 %. Опыт показал, однако, что обработка известково-железистым шлаком углеродистого металла приводит к бурному вскипанию и выбросам, Кроме того, об­работка железистым шлаком затрудняла проведение операции раскис­ления металла.

Что касается метода обработки стали известково-глиноземистым шлаком, то в СССР соответствующие исследовательские работы были широко развернуты, начиная с 1959 г. в Центральном научно-исследо­вательском институте черной металлургии (ЦНИЦЧМ) и на ряде заво­дов. В процессе опытных работ были определены оптимальные составы шлаков для различных марок стали и сконструированы агрегаты для их расплавления и подачи к сталеплавильному агрегату. По технологии ЦНИИЧМ шпаки с высоким содержанием CaO и добавками Al2O3 (для снижения температуры их плавления и обеспечения необходимой жидко- текучести) расплавляют в специальной электропечи и заливают в стале­разливочный ковш при выпуске стали из сталеплавильной печи или из конвертера. При сливе металла на находящийся в ковше синтетический шлак обе реагирующие фазы (сталь и шлак) интенсивно перемешиваются, шлак эмульгирует в металле и в какой-то степени эмульгирует металл в шлаке с последующим разделением фаз. Интенсивность и глубина проте­кания процесса определяются высотой падения струи металла, массой ме­талла и шпака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Задача заключается в том, чтобы обеспечить в процессе обработки макси­мальную величину межфазной поверхности. Наибольшее влияние при этом имеет высота падения струи металла, а также вязкость шлака.

Разновидностью метода обработки стали жидкими синтетическими шла­ками является так называемый метод смешения, когда в сталеразливоч­ном ковше одновременно смешиваются и сталь,и синтетический шлак,и жидкая лигатура (расплавленные ферросплавы). В СССР метод смешения в сталеразливочном ковше полупродукта с жидкой лигатурой с одновре­менной обработкой синтетическим шлаком используется для производст­ва высококачественной шарикоподшипниковой стали. Полупродукт состава ~ 0,35 % С; ~0,10 % Mn и следы Si выплавляют в мартеновской печи. Лигатуру состава — 3,2 % С; 0,6-2,0 % Mn; 1,3-3,4 % Si и 6,0- 6,5 % Cr получают в дуговой электропечи. Соотношение масс полупродук­та и лигатуры ~4:1.

Малоуглеродистый полупродукт, не содержащий практически марган­ца и кремния, по отношению к составу лигатуры переокислен. Поэтому в момент смешения происходит быстрое раскисление полупродукта угле­родом, содержащимся в лигатуре, с образованием газообразных продук­тов раскисления, полностью удаляющихся из расплава. Все это происхо­дит одновременно с воздействием на расплав залитого в ковш синтетичес­кого шлака, благодаря чему обеспечивается очищение металла от серы и неметаллических включений. В результате, например, из 100-т мартеновс­кой плавки и 20-т плавки из ДСП получают 120 т высококачественной ста­ли. Иногда плавку лигатуры совмещают с расплавлением синтетического шлака, т.е. в одной электропечи плавят и лигатуру и необходимое коли­чество синтетического шлака; полученные таким образом лигатуру и шлак сливают в ковш, куда затем выпускают плавку из мартеновской пе­чи или конвертера. Такой процесс называют "совмещенным” (рис. 84).

Метод смешения был разработан в 1970—1975 гг. на Ижевском метал­лургическом заводе. Он обеспечивает получение металла высокого качест­ва. Так, по данным работы [ 52] долговечность подшипников из стали ШХ15, выплавленной по методу смешения, в 2,9 раза превышает обычную.

Такие способы, как метод смешения или совмещенный процесс позво­ляют, в необходимых случаях, обеспечить производство в мартеновском или конвертерном цехе высококачественной стали с использованием относительно простого оборудования. Общим и в том и в другом случаях является использование синтетического шлака, как доступного способа снижения содержания в стали серы и неметаллических включений и соответствуюшего повышения качества и надежности металла. Очень важным обстоятельством при этом является также возможность добиться при об­работке металла синтетическим шлаком более стандартных показателей качества от плавки к плавке.

Расход синтетического шлака относительно невелик: 3—5 % от массы металла. При относительно малом количестве шлака легче обеспечить стандартность его состава и свойств. Поэтому обработка стали (с некото­рыми неизбежными колебаниями состава и свойств от плавки к плавке) синтетическим шлаком строго стандартного состава и температуры позво­ляет решать очень важную задачу выпуска металлургическим заводом надежной и стандартной продукции. Дополнительные затраты на полу­чение синтетического шлака оправдываются теми выгодами, которые получает народное хозяйство, используя более качественную сталь.

На основе разработок ЦНИИЧМ метод обработки металла синтетичес­ким шлаком получил в СССР широкое распространение. ЦНИИЧМ разра­ботана группа синтетических шлаков, в основном состоящих из извести и глинозема с содержанием кремнезема до 10-15 %, обладающих достаточ­ной жидкоподвижностью при температурах жидкой стали; созданы шла­коплавильные печи непрерывного действия типа ОКБ-1320, позволяющие выплавлять шлак в количестве, достаточном для обработки 600— 800 тыс.т стали в год при расходе его 4-5 % по отношению к массе метал­ла. В перспективе производительность этих печей может быть повышена более чем вдвое [ 53].

Основное требование, предъявляемое к синтетическим известково­глиноземистым шлакам — минимальная' окисленность (это обеспечивает хорошие условия для раскисления стали и ее десульфурации) и макси­мальная активность CaO. Поэтому в синтетических известково-глинозе­мистых шлаках не должно содержаться окислов железа вообще, а содер­жание кремнезема должно быть ограничено. Понятно, что наличие фос­фора в таких шлаках исключается, так как при обработке он перейдет в металл. В тех случаях, когда в шихте, из которой плавят шлак, со­держится некоторое количество кремнезема, в состав шлака вводят магнезию, образующую силикаты магния и уменьшающую, таким обра­зом, вредное воздействие кремнезема, снижающего активность CaO. Обычный состав синтетического шлака, используемого на заводах СССР, следующий, %: 50-55 % CaO; 37-43 Al2O3; до 7 SiO2 (в некоторых слу­чаях до 10-15 SiO2); до 7 MgO. Температура плавления шлака в зависи­мости от состава изменяется от ~ 1400 (в шлаке 50—55 % CaO; 38—43 % Al2O3 и <4,0 % SiO2) до ~ 1300 0C (в шлаке до 6-7 % SiO2 и 6-7 % MgO).

 Для того, чтобы капельки шлака сами легко от­делялись и всплывали, необходимо подбирать такие шлаки, величина межфазного натяжения которых на границе с металлом после окончания обра­ботки металла была бы максимальной. Практика показала, что общее содержание неметаллических включений после обработки синтетическим шлаком уменьшается примерно в два раза.

Большим достоинством такого технологического приема, как обра­ботка стали синтетическим шлаком, является ее кратковременность. Вся операция полностью осуществляется за время выпуска (слива) ме­талла из агрегата в ковш, производительность агрегатов при этом возрас­тает, так как такие технологические операции, как десульфурация и раскисление, переносятся в ковш.

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, между тем задача отсечки шлака при выпуске металла из конвертера или мартеновской печи практически весьма сложна.

Сама обработка синтетическим шлаком позволяет несколько умень­шить окисленность металла, однако не настолько, чтобы полностью отка­заться от применения раскислителей. Поэтому помимо шлака в ковш вводится необходимое количество раскислителей. Учитывая низкую плот­ность ферросилиция, необходимое его количество загружают на дно ков­ша еще до заливки в ковш синтетического шлака. После выпуска плавки на струю падающей в ковш стали присаживают такие материалы, как ферромарганец и феррохром. Вслед за этим присаживают сплавы, содер­жащие титан, ванадий, цирконий и т.п. Алюминий вводят в глубь ковша на штангах после окончания выпуска плавки.

В процессе перемешивания металла со шлаком состав шлака претерпе­вает определенные изменения; Эти изменения связаны со следующим:

а) при перемешивании шлак взаимодействует с футеровкой ковша, часть футеровки переходит в шлак;

б) из металла удаляется и переходит в шлак сера;

в) вводимые в ковш раскислители частично окисляются, образующи­еся окислы переходят в шлак;

г) какая-то часть конечного шлака все же обычно попадает в ковш; содержащиеся в конечном шлаке окислы железа затрудняют протекание процессов раскисления. Особенно опасно попадание в ковш конечного шлака из-за содержащегося в нем фосфора: в процессе раскисления почти весь фосфор, содержащийся в конечном шлаке, восстанавливается и пе­реходит в металл.

’’Разбавление” синтетического шлака в результате всех этих процессов может достигать 30—40 %. Однако и в том случае, когда определенная доля конечного шлака все же попадает в ковш, воздействие синтетичес­кого шлака на попадающий в ковш металл даже за те несколько минут, которые продолжается выпуск, оказывается положительным и обеспечи­вает заметное улучшение состава и свойств металла. И в этом случае по­лезным оказывается одновременное воздействие и шлака и раскислителей.

Примером технологии, когда печной шлак попадает в ковш и ’’разбав­ляет” залитый туда синтетический шлак, может служить технология, разработанная ЦНИИЧМ и OXMK [ 54] для 400-т мартеновских печей, работающих скрап-рудным процессом. Синтетический шлак из переда­точного ковша заливают во время выпуска плавки на струю металла поочередно в сталеразливочные ковши, установленные под раздвоенным желобом. Шлак начинают сливать после выпуска в ковш части металла (5—20 %) и продолжают слив в течение 20—40 с. Окончание операции заливки шлака соответствует наполнению ковша металлом не более чем на одну треть. Максимальное количество ферросплавов вводят в ковш. После выпуска металла печной шлак не отсекают, а перепускают через сталеразливочные ковши. Расход синтетического шлака 17-22 кг/т при выплавке сталей типа 10ХСНД, 15ХСНД и до 53 кг/т для стали 12ГН2МФАЮ. Содержание серы в готовой стали составляет (в среднем) соответственно 0,015 % и < 0,012 %.

Практика показала, что при обработке шлаком стали с более низким содержанием углерода (имеющей, как правило, и более высокую окисленностъ) эффект рафинирования от кислорода проявляется в большей степени. Соответственно снижается расход раскислителей. Опыт показал, что рафинирование известково-глиноземистым шлаком низколегирован­ной листовой конструкционной стали с низким содержанием углерода, выплавленной в 400-т мартеновских печах, позволяет стабилизировать угар раскислителей и легирующих и более надежно получать требуемый химический состав, а существенное повышение ударной вязкости стали позволяет расширить производство конструкционного металла, предназ­наченного для использования в северных районах страны, и получить экономический эффект при эксплуатации изделий из металла улучшен­ного качества.

Следует иметь в виду, что метод обработки металла синтетическим шлаком обеспечивает стандартные результаты десульфурации до извест­ных пределов (обычно не более чем до 0,005—0,007 %). В тех случаях, когда необходимо устойчиво получать более низкие концентрации серы, используют другие способы, например обработку 1Целочно-или редкозе­мельными металлами. Так, например, в условиях Новолипецкого метал­лургического завода (НЛМЗ) при производстве стали для труб большо­го диаметра в северном исполнении, одного только рафинирования синте­тическим шлаком оказалось недостаточно для получения требуемой удар­ной вязкости стали при низких температурах. Для этого оказалось необхо­димым понизить содержание серы до 0,003—0,005 %, что было достигну­

то благодаря созданию комплексной технологии обработки металла син­тетическим шлаком с отсечкой на выпуске конвертерного шлака и после­дующей обработки металла аргоном с одновременным вдуванием порош­кообразных кальцийсодержащих материалов или редкоземельных метал­лов. Наряду с требуемым уменьшением содержания серы при такой тех­нологии была снижена (примерно в три раза) и общая загрязненность ме­талла включениями всех видов; включения в основном принимают гло­булярную форму [ 53].

Широкое распространение метода обработки металла синтетическим шлаком на заводах СССР обусловлено рядом обстоятельств. Определен­ную роль играет то обстоятельство, что на значительной части территории страны условия эксплуатации металлоизделий в зимний период сущест­венно осложняются. Для повышения вязкостных свойств и хладостой­кости стали требуется снижение содержания серы. Снижение содержания серы не только повышает вязкостные свойства металла, но и заметно улучшает его свариваемость, что особенно важно при эксплуатации свар­ных конструкций.