ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОДУВКИ СТАЛИ В КОВШЕ (статья)

 Задача получения высококачественной стали или сплава, пригодных для изготовления ответственных изделий, сводится к разработке такой технологии выплавки, раскисления и заключительного этапа обработки, которые могут обеспечить минимальное остаточное содержание вредных примесей, газов и неметаллических включений.
Для указанной цели в отечественной и зарубежной металлургической практике с успехом пользуются вакуумированием стали в ковше с одновременной продувкой аргоном или другими инертными газами с целью снижения концентрации растворенных газов (водорода и азота) и уменьшения содержания кислорода и неметаллических включений.
Наиболее простым способом внепечной обработки стали с целью улучшения ее качества является продувка жидкого металла в ковше инертным газом. Пузырьки газа, всплывающие при продувке через весь слой металла, способствуют его рафинированию. При увеличении интенсивности массопереноса в ковше происходит выравнивание состава и температуры в объеме металла. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности металл - шлак и удаление их из стали. Этому же способствует удаление неметаллических включений пузырьками продуваемого газа вследствие их адсорбции на поверхности этих пузырьков. Так как парциальное давление водорода в пузырьках инертного газа равно нулю, они по отношению к водороду являются в некотором смысле вакуумными полостями и экстрагируют его из металла.
Продувку инертным газом в ковше широко применяют и в сочетании с другими способами внепечной обработки (вакуумом, порошками) для интенсификации массо- и теплообменник процессов. Наиболее часто для продувки в ковше используют аргон, который получают на кислородных станциях металлургических заводов при разделении воздуха с целью производства кислорода. Как известно, в воздухе содержится около 1 % аргона, поэтому при производстве необходимого для сталеплавильных процессов кислорода, содержание которого в воздухе примерно 21 %, попутно получается значительное количество довольно дешевого аргона. Это по существу и определило возможность широкого использования аргона в сталеплавильном производстве, в частности для внепечной обработки стали.
Иногда для продувки металла в ковше применяют азот. Это возможно, когда сталь не содержит нитридообразуюших элементов, имеющих высокое химическое сродство к азоту (циркония, титана, ванадия). Такие элементы, если и не связывают азот в нитриды при температурах внепечной обработки вследствие малых концентраций, то понижают его активность, вызывая повышение растворимости.
На качество стали большое влияние оказывает количество растворенных в ней газов. Особенно большие дефекты в стали вызываются растворенным в стали водородом.
Механизм удаления водорода из жидкой стали при продувке ее аргоном заключается в том, что растворенный водород диффундирует в готовые газовые пузыри аргона, в которые парциальное давление других газов ничтожно мало. На поверхности пузырьков аргона происходит рекомбинация водорода в молекулярное состояние. В результате этого процесса состав газа в пузырьке постепенно приближается к равновесному по отношению к газу, растворенному в стали.
Скорость удаления водорода из стали при продувке зависит от начальной концентрации водорода в стали, расхода инертного газа, размера формирующихся газовых пузырей, высоты их подъема, температуры и объема продуваемого металла.
Удаление азота из жидкого металла при продувке его инертными газами связано с химическим составом обрабатываемой стали. При продувке углеродистого металла окисью углерода или аргоном наблюдалось удаление азота.
Легированные и высоколегированные стали продуваются в ковше аргоном после окончательного раскисления. Кислород в такой стадии практически полностью находится в связанном состоянии в виде включений.
При продувке аргоном раскисленной стали содержание в ней кислорода значительно снижается.
Образующиеся в результате раскисления в жидкой стали неметаллические частички могут при благоприятных условиях под влиянием поверхностного натяжения и взаимного притяжения укрупнятся.
Главными причинами, способствующими более частой встрече взвешенных в металле включений, их укрупнению и всплыванию в шлак, являются энергичное перемешивание и циркуляция металла.
При продувке металла в печи или ковше инертными газами под слоем шлака, как это происходит на практике, большое значение для успешного удаления неметаллических включений из стали имеет поглощение их шлаковым покровом.
При продувке жидкого металла инертным газом наблюдается следующая картина: во-первых, создаются благоприятные условия для протекания процессов, которые формируют крупные частицы. Во-вторых, флотирующее действие аргона вследствие высокой адгезии включений к газовым пузырькам способствует удалению из металла более мелких по размеру неметаллических включений. В третьих, энергичное перемешивание металла в ковше во время продувки инертными газами способствует более частому контакту включений со шлаком и ассимиляции их шлаком.
Для осуществления процесса продувки стали в ковше инертным газом существуют много различных способов и технологий.
Наибольшее распространение на металлургических предприятиях получили способы перемешивания стали с помощью таких продувочных устройств, как погружаемые фурмы, пористые пробки, устанавливаемые в днище ковша, и приспособления, подающие газ через разливочный канал ковшового затвора. Указанные способы инжекции газа в расплав схематично показаны на рисунке 3.1,а), б), в). Любой из этих методов ввода рафинирующего газа имеет свои достоинства и недостатки, проявляющиеся в разной степени в зависимости от конкретных условий их применения: вместимости сталеразливочного ковша, конструкции устройств для дозированного выпуска металла, которыми оборудован ковш, и т.д.