Внепечное вакуумирование стали

Морозов А.Н. и др.
Металлургия, 1975 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Морозов А.Н. и др. Внепечное вакуумирование стали

СНИЖЕНИЕ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ СТАЛИ ОКСИДНЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ

Раскисление стали углеродом в вакууме, сочетающе­еся с энергичным перемешиванием, позволяет удалить в виде окиси углерода значительную часть растворенно­го в металле кислорода до введения сильных раскислителей. Тем самым уменьшается количество образую­щихся продуктов раскисления, загрязняющих сталь. Не­которая часть образующихся после раскисления включе­ний всплывает на заключительной стадии вакуумирова­ния в связи с энергичным перемешиванием металла.

При осуществлении такой технологии из сталепла­вильного агрегата выпускают обычно нераскисленный кремнием и алюминием металл. В некоторых cлучаях, особенно при выплавке низкоуглеродистой стали в кис­лородных конверторах и мартеновских печах, металл раскисляют небольшими добавками кремния (0,05— 0,10%) с целью предотвращения чрезмерно бурной ре­акции в ковше или вакуум-камере.

Наличие в металле небольшого количества кремния не препятствует раскислению стали углеродом в ваку­уме.

Процесс раскисления стали углеродом в вакууме про­водится обычно до достижения минимального давления в вакуум-камере. При порционном и циркуляционном вакуумировании для этого достаточно 3—5-кратной рециркуляции. Только после проведения раскисления ста­ли углеродом в вакууме вводят раскислители, легкоокисляющиеся легирующие элементы и корректирующие до­бавки в определенной последовательности, затем ме­талл некоторое время перемешивают для выравнивания химического состава и температуры.

На раскислении металла углеродом преимуществен­но основана технология внепечного вакуумирования широкого сортамента сталей ответственного назначения, к которым предъявляются повышенные требования по степени загрязненности металла оксидными включения­ми. К этим сталям относятся прежде всего подшипнико­вые, легированные конструкционные стали для авиа­ционной и машиностроительной промышленности, при­боростроения и судостроения, инструментальные, штамповые и другие стали, к которым предъявляются требования высокой эксплуатационной надежности.

При раскислении стали углеродом содержание по­следнего снижается, что необходимо учитывать при корректировке химического состава металла.

В некоторых случаях сталь до или в начале вакууми­рования полностью раскисляют кремнием и алюмини­ем. В процессе вакуумной обработки при хорошем пере­мешивании металла находящиеся в нем продукты пер­вичного раскисления всплывают или восстанавливаются углеродом. После обработки в течение определенного времени (на установках порционного и циркуляционного типа при 2—3-кратной рециркуляции) вводят необходи­мые добавки и перемешивают металл. Раскисление ста­ли до или в начале вакуумирования препятствует обез­углероживанию металла. Такая технология обеспечивает получение достаточно чистого по содержанию кислорода и оксидных включений металла, снижение содержания водорода до достаточно низких значений, высокую сте­пень усвоения легкоокисляющихся элементов и возмож­ность получения стали с заданным в узких пределах содержанием элементов. Однако в большинстве случаев сталь, вакуумированная в раскисленном состоянии, бо­лее загрязнена оксидными включениями, чем сталь, рас­кисленная предварительно углеродом в вакууме. Выбор той или иной технологии вакуумной обработки опреде­ляется в каждом конкретном случае, исходя из условий производства и уровня требований, предъявляемых к качеству металла.

Кнюппель с соавторами [104] сообщали о результа­тах порционного вакуумирования углеродистой марте­новской стали различных марок. Сталь выплавляли в 150-т мартеновских печах с выпуском металла в два ковша. В одном из ковшей сталь раскисляли ферроси­лицием в обычном порядке. Металл другого ковша рас­кисляли углеродом в вакууме, а ферросилиций вводили в вакуум-камеру после 3,0—3,5-кратной рециркуляции. Вакуумная обработка заканчивалась перемешиванием металла в течение 5—10 циклов. Содержание кислоро­да определяли методом горячей экстракции из проб, отобранных по сечению проката из металла обоих ков­шей. Результаты анализа проб металла приведены на рис. 45.

Вакуумная обработка привела к значительному уменьшению содержания кислорода (оксидных включе­ний) в готовом прокате. При этом оксидные включения распределялись равномернее по сечению слитка. Эти ре­зультаты были подтверждены при металлографическом контроле стали.

Обработка нераскисленной стали в вакууме приводи­ла к заметному (до 0,06%) снижению содержания угле­рода (рис. 45).

На заводе в Кентоне, США [60] исследовали качест­во конструкционной легированной стали.

Сталь с различным содержанием углерода выплавля­ли в 90-т электродуговых печах и вакуумировали в ков­ше на установке с электромагнитным перемешиванием. При вакуумной обработке нераскисленной стали передвыпуском плавки из печи удаляли шлак, металл обраба­тывали в вакууме в течение 15—20 мин. После дости­жения остаточного давления 0,013 кН/м2 (0,1 мм рт. ст.) присаживали в ковш ферросилиций, алюминий и корректирующие добавки марганца, хрома и углерода и перемешивали металл не менее 2 мин.

При вакуумной обработке спокойной стали ферроси­лиций и алюминий присаживали в металл при выпуске плавки из печи. Результаты определения содержания кислорода в прокате этих плавок приведены в табл. 8, в которой результаты, полученные при вакуумировании нераскисленных плавок, сопоставлены с данными для тех же сталей, выплавленных в той же электропечи по обычной технологии со сменой окислительного шлака без вакуумирования.

При металлографической оценке площадь поверхно­сти шлифов, приходящаяся на долю оксидных включений, у вакуумированной стали оказалась на 50% ниже, чем в обычной.

Аналогичные результаты были получены и в наших исследованиях при вакуумировании стали 18Х2Н4ВА в струе при выпуске из 10-т электропечи. В первом слу­чае шлак в печи обрабатывали только молотым коксом (вариант 1), во втором — коксом и ферросилицием (ва­риант 2). В обоих случаях недостающее количество фер­росилиция, а также ферротитан и алюминий помещали на дно ковша в вакууме. При выплавке этой стали без вакуумной обработки (вариант 3) плавку проводили обычным двухшлаковым процессом с диффузионным раскислением металла в печи. Ниже приведены резуль­таты исследования полученного металла. Исследования, проведенные на заводе Хирохата фир­мы «Ниппон стил корп» были посвящены сопоставлению степени загрязненности высококачественного толстолис­тового проката (0,08—0,18% С; 1,3% Мn; 0,25% Si; 0,02—0,04% Аl) после вакуумной обработки раскислен­ного и нераскисленного металла на установке циркуляционного типа [9]. При полном раскислении металла до вакуумирования все необходимое количество алюминия, кремния и марганца присаживали в ковш во время вы­пуска плавки; в другом случае в ковш присаживали толь­ко ферромарганец, а алюминий и ферросилиций вводили после раскисления стали углеродом в вакууме. Содержа­ние оксидных включений, особенно размером более 200 мкм, в вакуумированной в раскисленном состоянии стали оказалось значительно больше.

В последние годы в результате многочисленных ис­следований, обобщенных Кнюппелем [105], установле­но, что скорость всплывания и полнота удаления про­дуктов первичного раскисления стали определяется глав­ным образом составом образующихся включений, что в свою очередь зависит от вида и порядка введения рас- кислителей. В частности, продукты раскисления стали

алюминием удаляются из жидкого металла значительно быстрее и полнее, чем кремнистые включения.

Эти представления, подтвержденные результатами производственных исследований, оказали определенное влияние на технологию раскисления стали и, в частно­сти, на последовательность ввода различных раскислителей в процессе вакуумной обработки. Оказалось, что при вакуумировании раскисленных алюминием сталей, осо­бенно низкоуглеродистых, конечное содержание кисло­рода и оксидных включений мало зависит от времени ввода алюминия при условии, что после раскисления металл энергично перемешивался.

Так, при порционном вакуумировании конструкцион­ной мартеновской стали (0,16% С; 1,0—1,3% Мп; 0,8— 1,10% Сг) на заводе фирмы «Зюдвестфален» (ФРГ) [100] варьировали временем ввода алюминия (до 1 кг/т) в процессе вакуумной обработки. Часть плавок была раскислена алюминием до вакуумирования, на осталь­ных алюминий вводили в вакуум-камеру после 4— 30 циклов обработки. В пробах металла из готового про­ката (верхней, средней и хвостовой части слитка) сред­нее содержание кислорода составляло 0,0016—0,0035%. Какой-либо зависимости концентрации остаточного кис­лорода от продолжительности вакуумной обработки ста­ли до ввода алюминия не было установлено; колебания по содержанию остаточного кислорода были связаны ис­ключительно с расходом алюминия. Авторы работы [100] пришли к заключению, что перемешивание металла пос­ле его раскисления алюминием в течение 8 циклов обес­печивало достаточно полное удаление включений глино­зема из стали.

Очевидно, было бы неправильным пытаться устано­вить какие-либо определенные нормы (число циклов, продолжительность перемешивания аргоном, коэффици­ент рециркуляции), гарантирующие достаточно полное удаление включений глинозема в процессе вакуумиро­вания, так как это определяется назначением металла и конкретными условиями производства. Между тем технология, предусматривающая предварительное рас­кисление стали алюминием до или в начале вакуумиро­вания, получила распространение на многих металлур­гических предприятиях. Такая технология, обеспечивая получение чистой по оксидным включениям стали, дает

возможность гарантировать узкие пределы по содержанию углерода, сократить продолжительность вакуумной обработки и предотвратить чрезмерно бурное вскипание металла в ковше или в вакуум-камере.

Отдельно следует остановиться на последовательно­сти введения присадок в процессе вакуумирования в тех

случаях, когда в качестве раскислителей используют кремний и алюминий.

Обобщая современный опыт внепечного вакуумиро­вания, Халлемейер и Кутчер [9] представили зависимость между содержанием углерода и кислорода в про­цессе вакуумной обработки стали (рис. 46). Заштрихо­ванная область 1 на диаграмме характеризует содержа­ние углерода и кислорода в нераскисленном металле при выпуске из печи; область 2 — это же соотношение после раскисления углеродом в вакууме; область 3 — после раскисления металла алюминием в вакууме и уда­ления продуктов раскисления. Содержание кислорода в металле после раскисления углеродом в вакууме (область 2) при данном содержа­нии углерода ниже, чем в стали, раскисленной кремни­ем. С этой точки зрения казалось бы безразличным, в какой последовательности следует вводить в металл кремний и алюминий. Однако результаты производст­венных исследований свидетельствуют, что загрязнен­ность готовой стали оксидными включениями в значи­тельной степени определяется последовательностью рас­кисления вакуумированного металла. Это, по-видимому, объясняется тем, что при местном обогащении отдель­ных объемов металла кремнием последний может реа­гировать с кислородом и после проведения раскисления стали углеродом в вакууме. Образующиеся при этом включения кремнезема удаляются из металла значи­тельно хуже, чем включения глинозема.

Подробные исследования в этом направлении были проведены на заводе в Уиллэнде фирмы «Атлас стал» (США) [106], где выплавляли легированные конструк­ционные стали ответственного назначения в 35—50-т электропечах с обработкой металла на установке порци­онного вакуумирования. Выплавляемую сталь тщатель­но контролировали на загрязненность оксидными вклю­чениями.

Всю сталь перед вакуумированием предварительно раскисляли кремнием (до 0,10% Si). Недостающее ко­личество кремния и алюминий вводили в вакуум-камеру в конце обработки. При раскислении металла сначала алюминием, а затем кремнием обеспечивались значи­тельно лучшие результаты по оксидным включени­ям, чем при обратном порядке окончательного рас­кисления.

Подробных результатов исследований, подобных при­веденному выше, насколько нам известно, опубликова­но не было. Поэтому трудно оценить, в какой степени последовательность раскисления вакуумированного ме­талла кремнием и алюминием влияет на степень загряз­ненности готового проката оксидными включениями в отличающихся производственных условиях и при обра­ботке стали других марок.