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.