Обработка металла инертными газами

Ойкс Г.Н., Степанов А.В. и др.

Металлургия, 1969 г.

КРАТКИЙ ОБЗОР ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБРАБОТКЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ

Качество готовой стали определяется содержанием в ней газов и неметаллических включений. Повышенное содержание неметаллических включений в стали снижает ее механические свойства [1—3], а в нержавеющей и кислотостойкой стали их отрицательное действие сказывается и на стойкости против коррозии.

Содержание газов в жидкой стали изменяется в зависимости от принятой технологии выплавки. Выделение газов из стали, выпущенной из печи, происходит главным образом во время охлаждения и кристаллизации. В процессе дальнейшей обработки слитка продолжается выделение водорода из стали. Газы, выделяющиеся во время кристаллизации стали, существенно влияют на кристаллическое строение слитка, поэтому для повышения качества стали необходимо уменьшить в ней содержание не только вредных примесей и неметаллических включений, но и газов.

Для этого целесообразно применять дополнительные искусственные меры при выплавке и разливке стали.

На заводах черной металлургии широко применяются различные способы прокаливания исходных материалов, предназначенных в качестве шихты или легирующих элементов и ферросплавов, тщательная сушка желоба печи и футеровки ковша. В последнее время начали внедрять обработку жидкой стали вакуумом перед разливкой. Более ответственную сталь изготовляют вакуумным дуговым, электрошлаковым переплавом или в вакуумных индукционных печах. При выдаче стали из печи ее обрабатывают в ковше синтетическими шлаками специального состава.

Практика показывает, что в некоторых случаях применяемые способы оказываются недостаточно эффективными для борьбы с газами в стали, особенно с водородом. Поэтому желательно опробование в производственных условиях новых способов борьбы с газами. Сюда прежде всего следует отнести использование инертных газов для продувки жидкого металла в печи или ковше, а также для создания защитной атмосферы над металлом при выпуске из печи или при наполнении изложниц. В атмосфере сухого инертного газа парциальное давление водорода приближается к нулю. Следовательно, при разливке стали в атмосфере инертного газа создаются условия для протекания процесса дегазации стали. В то же время при разливке стали в атмосфере инертного газа до минимума сводятся окислительные процессы на поверхности стали в изложнице, что уменьшает и в некоторых случаях устраняет пороки поверхности слитка [4]. В качестве инертных или защитных газов используются главным образом аргон и азот. В некоторых случаях металл продувают гелием.

В настоящее время у нас и за рубежом все шире начинают применять обработку жидкой стали инертными газами в печи, ковше и при разливке. Продувку металла инертными газами в печи производят через металлические трубки, футерованные и нефутерованные, диаметром 12—18 мм. В лабораторных условиях для этой цели используют кварцевые трубки. Расход инертного газа при продувке металла в печи в промышленных условиях составляет примерно 2 м³\т.

Продувку стали инертными газами в ковше проводят по-разному: через ложный стопор [12], фурму, заделанную в стенке ковша [13—15], или через пористые огнеупорные блоки, установленные в днище ковша [2].

Как уже упоминалось, основной целью продувки металла инертными газами является его дегазация, удаление неметаллических включений, выравнивание химического состава и температуры по всему объему металла. Считают целесообразным продувать металл мелкими пузырьками из многочисленных сопел, расположенных в устройстве для продувки на возможно большей глубине в ковше.

В США запатентован  способ дегазации металла посредством продувки его инертным газом через вращающееся газопроводящее устройство, погруженное в металл. Это устройство представляет собой вертикально расположенную трубу, на конце которой, погруженной в металл, имеется несколько сопел. Иногда в районе сопел на трубе устанавливаются направляющие лопатки, которые при вращении разбивают выходящие из сопел пузырьки газа, увеличивая тем самым их рассеивание. Труба вращается со скоростью 600—1500 об/мин (окружная скорость концов сопел должна находиться в пределах 0,91—9,1 м/сек). Для получения максимальной площади контакта газ — металл и исключения всплесков на поверхности ванны газовые пузырьки должны иметь диаметр меньше 10 мм, для чего площадь сечения выходных отверстий сопел должна быть менее 300 мм².

Опыты, проведенные в стеклянных сосудах с водой, показали, что время контакта газовых пузырьков с жидкостью увеличивается пропорционально скорости вращения сопел и при 600 об/мин в 2,5 раза, а при 1500 об/мин в 5,2 раза больше, чем при неподвижных соплах.

Моделированием гидродинамики продувки металла и шлака и разработкой условий подобия при продувке жидкости газовой струей занимались Б. Л. Марков и А. А. Кирсанов [36]. Они исследовали влияние на процесс продувки глубины проникновения газовой струи в жидкость, физические свойства жидкости, расход и плотность газа.

Опыты по продувке жидкой стали аргоном в индукционной и электродуговой печах проводили Г. Н. Ойкс и Хан-Хен-Ги [3]. Было проведено 6 плавок в 10-кг индукционной печи, 14 плавок в 40-кг индукционной печи и 4 плавки в 100-кг электродуговой печи по следующим вариантам:

а) 2 обычные плавки для сравнения качества стали;

б) 3 плавки с насыщением металла водородом;

в) 14 плавок с насыщением металла водородом и последующей продувкой аргоном;

г) 5 плавок с продувкой металла аргоном после присадки раскислителей с целью удаления из жидкой ванны неметаллических включений.

Опыты проводили на углеродистой стали и стали, содержащей около 1,0% Сг.

В результате опытов было установлено, что продувка раскисленного металла аргоном значительно снижает содержание неметаллических включений и газов в стали. Скорость удаления водорода и азота из стали при продувке возрастает с увеличением начального содержания этих газов в металле. Пластические свойства (ψ, б и a_k) в результате снижения концентрации водорода в стали и уменьшения неметаллических включений повышаются.

Опыты по улучшению качества выплавляемой стали путем продувки ее в ковше инертными газами проводились также за рубежом разными исследователями. Финкель продувал сталь гелием во время вакуумирования в ковше с целью усиления перемешивания и интенсификации процесса [7]. Во Франции подобными исследованиями занимались Дюфло и Верге, а в Канаде — Спайр. Они также применяли инертный газ для продувки стали в ковше с целью интенсификации процесса и дегазации стали во время вакуумирования. Простое вакуумирование стали в ковше

без продувки обусловливает дегазацию лишь верхних слоев металла [8]. Использованная ими установка для дегазации металла схематически показана на рис. 5. В результате вакуумирования стали в ковше и при одновременной продувке аргоном концентрация водорода снизилась с 4,5 до 2,7 см³/100 г.

Жидкую сталь инертными газами обрабатывают и при порционном вакуумировании стали в ковше. Схема такой установки показана на рис. 6 [9]. При многократном всасывании порций жидкого металла в вакуумную камеру под всасывающую футерованную трубу подводится инертный газ с помощью футерованной трубки, оканчивающейся пористой насадкой. В результате продувки металла инертным газом увеличилась порция стали, проходившая через вакуумную камеру в единицу времени, и ускорялся процесс ее дегазации.

В США Хостон и Дит проводили опыты по обработке жидкой стали аргоном в ковше [10]. Металл выплавляли для этих целей в 1-г электродуговой печи. Перед выпуском стали в печь дополнительно присаживали 50 кг/т извести. Ковш для изоляции от атмосферы закрывали крышкой и металл продували через металлические футерованные трубки. В результате обработки жидкой стали в ковше газами в течение 8 мин при расходе аргона от 1,0 до 4,0 м³/т содержание кислорода снижалось в 2—3 раза, водорода — на 9—69% и азота — на 0—62%. Хостон и Дит считают, что большое влияние на результаты обработки стали в ковше оказывают стойкость и качество огнеупорной футеровки ковша.

Имеются отдельные сообщения о том, что жидкую сталь обрабатывали в ковше, продувая ее инертными газами через пористые блоки, установленные в днище ковша, или пористое дно ковша [11]. Пористая огнеупорная вставка в днище ковша для продувки выдерживает до трех плавок. Однако в литературе нет указаний, как изготавливаются пористые огнеупоры, какими они обладают свойствами, как ими практически пользоваться.

Вакуумная камера была снабжена устройством, с помощью которого можно вводить в металл ферросплавы под вакуумом.

Опытные плавки стали ШХ15 проводили по четырем вариантам:

1) раскисленный металл в ковше продували инертным газом при атмосферном давлении;

2) то же, но под вакуумом;

3) вакуумировали нераскисленную сталь (следы кремния) в ковше с последующим раскислением ферросилицием и алюминием в конце вакуумирования;

4) при вакуумировании нераскисленный металл продували газом с последующей присадкой ферросилиция и алюминия в конце продувки.

В результате исследования было установлено, что водород удаляется наиболее эффективно при продувке раскисленной стали в ковше под вакуумом .