Технология вторичной металлургии
Скоротечность выплавки стали в конвертере приводит к тому, что она содержит относительно много нежелательных примесей, не успевших покинуть расплав. Это не отвечает современным требованиям к качеству стали со стороны технологических операций ее переработки. Постоянно возрастает потребность в стали с супернизким содержанием некоторых химических элементов, стали, качество которой может регулироваться лишь на атомном уровне.
Расширился рынок высококачественных сталей. Потребовалось увеличение производительности конвертеров в условиях, когда скорость выплавки стали сдерживается ограниченной возможностью технологического процесса в считанные минуты "финишной прямой" довести расплав до заданной кондиции.
Решение рассмотренных выше проблем было найдено на путях переноса части технологических операций производства стали из ванны конвертера в ванны ковшей, для внепечной обработки расплава.
Металлурги создали и применили вторичную металлургию. Внепечное рафинирование металла создаёт также возможность применения в конвертерном производстве относительно дешевых низкокремнистых и маломарганцовистых чугунов, способствует стабилизации процесса разливки однородной по составу и температуре стали в кристаллизаторы непрерывных машин.
Продувка расплава инертным газом (аргоном) инициирует его перемешивание и способствует усреднению состава. Ускоряется процесс окисления углерода кислородом расплава. В случае, когда поверхность расплава покрыта шлаком заданного состава, он ассимилирует неметаллические включения.
Продувку ведут через пористые огнеупорные пробки, через пористое днище ковша или через полый стопор.
Совмещение продувки расплава аргоном с обработкой шлаком повышает эффективность их применения.
Обработку расплава порошкообразными материалами осуществляют газом -носителем реагентов. Носителем может быть кислород, природный газ или аргон. Реагентом - порошки шлаковых смесей или металлов. Для удаления из расплава фосфора вдувают в струе кислорода смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата. Десульфурацию осуществляют вводом в расплав в струе аргона или азота флюсов на основе извести или плавикового шпата.
Широко применяется вдувание в расплав кальций - содержащих материалов. Кальций обеспечивает высокую степень раскисления и десульфурации металла.
Порошкообразные реагенты вводят в расплав, через фурму сверху. Возможен ввод реагентов не применяя газы - носители [95].
Вакуум над расплавом позволяет снизить содержание в нем газов в несколько раз. Удаление из расплава кислорода происходит главным образом за счет всплывания оксидных неметаллических включений, протекающего достаточно интенсивно вместе с газовыми пузырями, к поверхности которых они "прилипают" (развивается процесс флотации). Вакуумированием удаляют из расплава большую часть водорода. Снижение содержания в расплаве азота требует более глубокого вакуума и большего времени, чем в случае удаления водорода. С увеличением интенсивности перемешивания ванны процесс удаления азота ускоряется, становится более полным [161].
Процесс рафинирования расплава под вакуумом наиболее эффективен, если активно протекает выделение пузырьков СО, "носителей" неметаллических включений к границе фаз.
Вакуум над расплавом создают при помощи специальных камер, под патрубки которых устанавливают сталевозом ковш.
Наиболее распространенными являются три способа вакуумирования расплава: порционный, циркуляционный и ковшевой.
Система порционного вакуумирования состоит из футерованной изнутри вакуумной камеры и футерованного с двух сторон патрубка, вакуумных насосов, устройства для подъема и опускания вакуум - камеры, бункеров для загрузки в камеру рафинирующих материалов, устройства для нагрева камеры.
Процесс вакуумирования состоит из следующих технологических операций: патрубок опускают в расплав, который под действием атмосферного давления поднимается в камеру, где уже создан вакуум.. Вакуумирование порции расплава, затекшего в камеру, может продолжать около 30 с. Затем камеру поднимают, но так, чтобы патрубок не потерял связь с расплавом в камере. После этого расплав, прошедший вакуумирование, по патрубку возвращается в ковш. Так повторяется многократно.
Система циркуляционного вакуумирования состоит из тех же устройств, что и система порционного вакуумирования (лишь вместо одного патрубка -два), а также оборудования для подачи аргона в один из патрубков. Принцип работы - после опускания патрубков в расплав, он засасывается в камеру, после чего в один из патрубков подают аргон. Под его давлением и восходящим потоком пузырьков расплав непрерывно перетекает по патрубкам через камеру в течение 30 - 35 мин.
На циркуляционном вакууматоре во время обработки нераскисленного расплава интенсивность обезуглероживания резко возрастает. Создаются условия для производства особонизкоуглеродистых сталей.
При ковшевом вакуумировании сталеразливочный ковш помещают в специальную герметичную камеру, закрываемую водоохлаждаемой и футерованной крышкой. В камере создается разряжение до 5 мм ртутного столба. В результате обработки нераскисленного металла происходит обезуглероживание расплава. Пузырьки СО вспенивают шлак, уровень его поднимается на 700 - 800 мм. Поэтому при ковшевом вакуумировании высота свободного борта должна быть не менее 1200 - 1300 мм (для ковша, емкостью 385 т).
Расплав, слитый из ванны конвертера в преддверии внепечной обработки может содержать серу, фосфор, кислород, неметаллические включения и др. вредные примеси, удаление которых может быть возложено на специально приготовленные (синтетические) шлаки заданного состава, температуры и количества, на шлак, в результате взаимодействия которого с расплавом возникает весьма развитая поверхность двух фаз, на которой развиваются процессы рафинирования.
Операция обработки расплава начинается с подготовки известково - глиноземистого шлака путем расплавления соответствующей шихты в специальной электродуговой печи. Подготовленный шлак с температурой 1700°С заливают в сталеразливочный ковш перед выпуском плавки из конвертера. Струя расплава, падая с высоты ванны конвертера в слой жидкого шлака в ковше, разбивает его на мелкие капли и частично эмульгирует. Возникает широко развитая реакционная поверхность двух фаз, проникающих друг в друга.
Содержащаяся в расплаве сера, взаимодействуя с СаО, переходит в шлак, снижается окисленность расплава, уменьшается количество неметаллических включений. Успешный ход этих процессов возможен, если жидкий синтетический шлак не содержит оксиды железа, способные перейти в расплав и окислять его составляющие. Содержание кремнезема должно быть минимальным.
Оптимальный синтетический шлак может иметь следующий состав, %: СаО 50-55; Al2O3 40-45; SiO2 до 5 - 10; МgО до 10 и CaF2 для его разжижения. Расход шлака обычно не превышает 5% от массы расплава.
Содержание серы в расплаве после обработки шлаком уменьшается в два раза, а кислорода и неметаллических включений на треть.
Достоинством способа рафинирования расплава специально приготовленным, регламентированным шлаком является скоротечность процесса-за время выпуска (слива) его из ванны корпуса конвертера удаляется ощутимое количество вредных примесей. Достоинством является и то, что этот способ может быть применен в сочетании с другими методами очищения расплава.
Синтетический шлак нередко применяют и в твердом состоянии, главным образом для десульфурации расплава. Под влиянием высокой температуры струи расплава, твердые частицы шлака на дне ковша расплавляются и выводят из металла серу. Однако невысокая степень удаления примеси и нестабильность результатов не делают этот способ применения шлака предпочтительным.
Вторичная металлургия объединяет комплекс технических средств и технологических способов одновременно или в тесной последовательности, чтобы рафинировать расплав жидкого чугуна и скрапа, отделенных от конвертерного шлака, уже выполнившего роль собирателя основной массы нежелательных примесей, и перевести его в сталь заданного качества по химическому составу, температуре, газонасыщенности, содержанию неметаллических включений и атомов внедрения и др. параметрам, оговоренным условиями потребителя. Внепечная обработка расплава охватывает несколько простых способов очищения его от нежелательных примесей, изыскивая эффективную последовательность или допуская совмещение операций: вакуумирование, продувка расплава газами и порошкообразными материалами, подогрев, раскисление, перемешивание, обработка синтетическими шлаками.
В любой комбинации "простых" способов рафинирования расплава перемешивание является неотъемлемой частью процесса, интенсифицируя переход одного качества продукции в другое, более высокое.
Основной частью агрегата, на котором выполняют комплексную обработку расплава является сталеразливочный ковш. Он же - основная емкость агрегата ковш - печь. В его днище устанавливают две пробки для выполнения ведущей операции рафинирования - продувки расплава под слоем синтетического шлака аргоном. Продувочные пробки располагают на расстоянии 1/3 - 1/4 радиуса днища от борта ковша. Положение их должно обеспечить перемешивание расплава в двух пересекающихся плоскостях.
Расплав подогревают тремя графитовыми электродами, на которые подают переменный ток. Эффективность подогрева расплава достигается тогда, когда электроды опущены в шлак, а электрическая дуга замыкается через металл (расплав). Толщина слоя шлака должна превышать электрическую дугу на 25 - 35%.
Обезуглероживание расплава достигается вводом в вакууматор кислорода и водорода, которые переводят углерод в СО и СO2. Особо низкоуглеродистую сталь получают в вакууме аргоно - кислородной продувкой.
Подача в вакуум - камеру шлакообразующих материалов на базе СаО - CaF2 способствует десульфурации расплава. Обязательным условием успешной десульфурации является надежная отсечка конвертерного окисленного шлака при выпуске из ванны расплава.
На агрегате ковш - печь в комплексе с агрегатом циркуляционного вакуумирования можно проводить следующие операции, применение которых и их состав определяется конкретными условиями производства:
• перемешивание расплава его продувкой нейтральным инертным газом - "гомогенизация", с целью выравнивания химического состава и температуры, а также рафинирования от включений;
• подогрев расплава в ковше электрической дугой или в камере вакуума-тора за счет окисления кислородом вводимого алюминия;
• продувка расплава инертными газами для снижения его окисленности и уменьшения содержания водорода;
• продувка расплава порошкообразными шлаковыми смесями из извести и плавикового шпата, главным образом для десульфурации и дефосфорации, а также порошкообразным кальцием для достижения высокой степени раскисления и десульфурации;
• обработка вакуумом для снижения содержания в расплаве газов - кислорода, водорода и азота, а также тех неметаллических включений, которые сумели "прилипнуть" к пузырькам удаляемых газов;
• обработка хорошо раскисленного расплава синтетическим шлаком, содержащим достаточное количество СаО, или высокоосновной порошкообразной шлаковой смесью в струе инертного газа для удаления из него серы.
Внепечную обработку стали можно выполнять и на установках доводки металла (УДМ), расположенных обычно в зоне работы конвертера.
УДМ в отличие от АКП не оборудованы системой подогрева стали в ковше и крышкой для уменьшения потерь тепла расплавом. Однако на УДМ выполняют достаточно широкий объем технологических операций над расплавом:
* продувка аргоном;
* ввод порошковой проволоки и алюминиевой катанки;
* измерение температуры и окисленности;
* корректировка химического состава;
* микролегирование;
* химический подогрев металла алюминием;
* охлаждение металла.
Обработку расплава аргоном в ковше с целью усреднения его химического состава и температуры выполняют на всех плавках, независимо от назначения. Продувку ведут через донный блок или специальную фурму, которую погружают в расплав. При этом не допускается интенсивный барботаж расплава (и шлака), а также оголение его зеркала.
После усреднительной продувки измеряют температуру расплава, активность кислорода в металле, толщину слоя шлака и отбирают из ковша пробы на химический анализ.
По результатам измерения температуры расплава определяют необходимость его охлаждения или нагрева. Охлаждение выполняют присадкой обрези металла, металлизованными окатышами, металлической сечкой, порциями от 200 до 1000 кг. Вслед за этой операцией расплав продувают аргоном в течение 2-5 мин. Подогрев выполняют вводом в расплав алюминия.
По результатам химического анализа расплава корректируют его вводом ферросплавов, порциями массой не более 500 кг.
После корректировки расплава по температуре и химическому составу его "промывают" аргоном через донные пористые блоки для удаления неметаллических включений в шлак. Микролегирование выполняют ферросплавами. При этом учитывают степень усвоения элементов: бор; титан - 50%; ванадий; ниобий - 90% молибден - 95%.
Коррекцию химического состава расплава по алюминию выполняют соответствующими катанкой или пирамидками. Коррекцию по углероду выполняют коксиком. Усвоение углерода из коксика составляет 45 - 60%.