Основы научных исследований в черной металлургии

Баптизманский В.И.

Вища школа, 1985 г.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальные свойства легированных сталей определили преимущественное развитие электросталеплавильных процессов по сравнению с мартеновским и конвертерным способами. Высокая скорость нагрева и плавления шихты при электроплавке достигается за счет высокотемпературного источника тепла — электрических дуг большой мощности. Электросталеплавильный процесс, осуществляемый в дуговых печах с основной футеровкой, обладает важным преимуществом — возможностью проведения восстановительного периода плавки. При этом в печи создается восстановительная атмосфера, что позволяет использовать диффузионный процесс раскисления и получать шлаки с массовым содержанием оксидов железа менее 1 %, обеспечивая высокую степень удаления кислорода из металла и возможность снижения концентрации серы в стали до 0,002—0,005 %. В этих условиях ввод в сталь легирующих примесей протекает с высокой степенью их усвоения, что позволяет легировать сталь элементами, обладающими высоким сродством к кислороду (алюминием, титаном, ванадием и др.) и имеющими высокую температуру плавления (вольфрамом, молибденом, хромом и др.).

Современный электросталеплавильный процесс дает возможность получать сталь с себестоимостью, которую можно сравнить со стоимостью мартеновской стали. Поэтому в электропечах выгодно получать и углеродистые низколегированные стали высокого качества.

Окислительный период плавки имеет много физико-химических закономерностей, исследование которых ведется методами. используемыми при изучении кислородно-конвертерных и мартеновских процессов. Применение кислорода и металлической шихты, содержащей хром, никель, вольфрам, молибден и другие металлы, высокая скорость ее плавления, другие особенности периодов плавления шихты и окисления примесей обусловливают необходимость изучения оптимальных условий плавки с целью увеличения полезного использования легирующих компонентой шихты.

Балансовые плавки, проводимые с тщательным контролем химического состава, массы металла и шлака, а также с учетом перехода компонентов шихты в газовую фазу, позволяют определить причины потерь легирующих металлов и установить условия, необходимые для эффективного их использования в процессе легирования и раскисления.

Особую проблему представляет выбор технологических приемов и способов проведения окислительного и восстановительного периодов плавки, выпуска и внепечной обработки стали с целью получения металла с низким содержанием газов (водорода, азота, кислорода) и неметаллических включений.

В условиях современного производства стали в дуговых электросталеплавильных исчах основными направлениями исследований являются:

1. Термодинамика, кинетика и механизм окисления элементов в окислительном периоде плавки, выбор оптимального состава шлаков периодов плавления шихты и окисления примесей, а также взаимодействие поверхностного слоя магнезитовой футеровки с металлом и ее роль в процессе окисления примесей.

2. Особенности выплавки легированных сталей в дуговых печах большой мощности и влияние технологии окислительного периода плавки на дегазацию стали и удаление неметаллических включений.

3. Термодинамический анализ взаимодействия элементов раскислителей с кислородом, особенно реакций раскисления легированных сталей комплексными раскислителями, и исследование фазовых равновесий жидкого легированного металла с оксидными продуктами раскисления.

4. Термодинамика, кинетика и механизм процессов десульфурации стали в восстановительном периоде плавки шлаками различного состава,

5. Исследование аргонокислородного рафинирования сталей.

6. Разработка рациональной конструкции кислородных фурм при продувке металла в печи и ковше.

7. Влияние технологии выплавки стали на структурную и химическую неоднородность слитка, а также способов раскисления стали на состав и количество неметаллических включений.

8. Особенности азотирования электростали газообразным азотом и его влияние на физико-химические свойства металла.

9. Исследование условий образования, механизма и кинетики удаления неметаллических включений из жидкой стали и влияния условий кристаллизации стали на образование и распределение неметаллических включений и т. д.

В. А. Григорян, Л. Н. Белянчиков и А. Я.Стомахин разработали основные направления термодинамического анализа строения и свойств металлических расплавов; обобщили современные представления о строении шлаков электрометаллургических процессов, роли поверхностных явлений, термодинамике и механизме процессов образования и удаления неметаллических включений, особенностях рафинирования металла при переплавных процессах, кристаллизации и формировании слитка стали, выплавленной в электропечах, а также обобщили основные методы исследований электросталеплавильных процессов.

Термодинамика конденсированных и газообразных оксидов, методы построения диаграмм активностей металлов в оксидах, приближенные методы оценки тепловых эффектов образования химических соединений по диаграммам состояния, определение активности компонентов в растворах по стандартным энтальпиям растворения (образования) и расчеты параметров взаимодействия элементов раскислителей с кислородом могут быть изучены на основе данных, полученных И. С. Куликовым.

Широкое применение продувки металла кислородом при выплавке стали в электропечах обусловило необходимость исследования ее режима, а также разработки рациональной конструкции дутьевых устройств. При этом целесообразно использовать холодное моделирование процесса. Сущность подобных исследований определена В. Н. Туровским и Е. И. Калиновым, которые описали также особенности конструкции моделирующих устройств и дали математическое обоснование геометрического подобия дуговой сталеплавильной электропечи и холодной модели.

При проведении исследований электросталеплавильного процесса одним из основных методов служит тщательный контроль всех факторов, оказывающих влияние на интенсификацию плавки, химический состав стали и шлака, концентрацию, состав и форму существования неметаллических включений в готовом металле. его физические и механические свойства.

Важным этапом в исследовании является контроль состава и массы применяемых исходных материалов: металлической части шихты, извести, железной руды, плавикового шпата, кокса, технического кислорода, ферросплавов и др. В течение плавки контролируется химический состав металла и шлака. При этом используется экспресс-анализ, и затем на основе современных методов исследований более тщательно и полно определяются их фазовый состав, структура и свойства. Результаты такого контроля являются основой проведения соответствующей статистической обработки.

Для усовершенствования процесса необходимо установить влияние на качество стали технологических факторов плавки и разливки; колебаний ее химического состава: температуры в различные периоды; длительности отдельных операций и способов их проведения; условий термомеханической обработки слитков и др. Установление связи показателей свойств металла с условиями его производства дает возможность выяснить влияние того или иного фактора на основные технико-экономические данные и качество стали. При этом необходимо из большого количества различных условий производства выявить факторы, наиболее влияющие на процесс, и установить степень достоверности сделанного заключения. Дисперсионный и корреляционный анализы полученных результатов позволяют сделать выводы о рациональных путях изменения технологических условий производства.

Качество стали в значительной мере связано с содержанием, формой, размером и распределением в ней неметаллических включений. Их удаление из жидкой стали по ходу плавки зависит от ряда факторов, определяемых физико-химической природой и свойствами продуктов реакций раскисления, а также межфазными, диффузионными и гидродинамическими процессами, развивающимися в условиях сложной гетерогенной системы металл — шлак — атмосфера печи (ковша).

Состав неметаллических включений определяется с помощью нескольких методов: металлографическою, селективного травления поверхности шлифа азотнокислым серебром, травления нагревом полированного шлифа на воздухе, просмотра прозрачных металлографических шлифов (пленок) толщиной до 10 мкм, микрорентгеноспектрального и контроля с использованием эмиссионного электронного микроскопа. Количественный анализ неметаллических включений может производиться по методам, описанным и систематизированным Ю. А. Шульте.

Роль поверхностных явлений в электросталеплавильных процессах весьма значительна. С ними связаны возникновение зародышей пузырей при кипении и дегазации металла, образование неметаллических включений, их укрупнение и удаление. Смачивание в системе металл — шлак — футеровка влияет на отделение шлака от металла, их взаимодействие с футеровкой, что, в свою очередь, оказывает большое воздействие на физико-химические процессы выплавки стали. Основные теоретические и экспериментальные методы исследований поверхностного натяжения на границах фаз, роли адгезии при образовании новой поверхности, смачивания обобщены В. А. Григоряном.