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.
 
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].
 
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).
 
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; 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.
 
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, 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%.
 

Источник:
Беняковский М.А., Масленников В.А. Автомобильная сталь и тонкий лист, Череповец 2007.