Автомобильная сталь и тонкий лист

Беняковский М.А., Масленников В.А.

Издательский Дом "Череповец", 2007 г.

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.

1. Внепечная обработка расплава газами и порошкообразными материалами

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].

2. Рафинирование расплава в вакууме

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).

3. Очищение расплава специальными шлаками

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; Al₂0₃ 40-45; Si0₂ 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.

4. Комплексная обработка расплава в ковше - печи

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, подопрев, 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 [24].

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 С0₂. 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.

Перечисленные технологические операции можно выполнить на циркуляционном вакууматоре, установленном в комплексе с ковшом - печью, схема которого представлена на рис. 16.