книги / Металлургия черных и цветных металлов

ние прочных силикатных комплексов и с ростом основности ослабляется связь О2- с раствором, что повышает сорбцион­ ную способность шлака к водяному пару. Таким образом, во всех сталеплавильных процессах необходимо уделять внима­ ние шлаковому режиму с точки зрения его противодействия поглощению водорода металлом. Раскислители и легирующие содержат значительные количества водорода. При обычных ко­ личествах вводимых в сталь ферросплавов от 0,3 до 2—4 % ими вносятся в сталь в худшем случае десятые доли кубиче­ ского сантиметра на 100 г металла. Но в случае стали или сплавов высоколегированных марок такие легирующие, как марганец, ферровольфрам, силикомарганец, силикокальций и ферротитан, могут сильно повысить концентрацию водорода в сплаве.

§ 2. Азот в железе и его сплавах

Молекулы азота гораздо прочнее молекул водорода, поэтому его растворение происходит медленнее. По этой же причине кон­ центрации азота в железе и его сплавах на практике менее равновесных. Но даже низкие концентрации азота приносят большой вред, особенно снижением пластических свойств стали и сплавов. Растворимость азота в железе (рис. VII.4) повыша­ ется с температурой, лишь в интервале устойчивости гранецен­ трированного у ^ е замечается понижение. Так как раствори­ мость в a-Fe значительно ниже, чем в y-Fe, то при снижении температуры из феррита выделяется мелкодисперсная фаза ни­ тридов Fe4N, а при температурах s£t200°C FeieN2. При ком­ натной и отрицательных температурах этот медленный процесс, длящийся годы, вызывает старение стали.

С рядом металлов азот образует нитриды, прочность рбторых возрастает с понижением температуры (рис. VII.5). Ни^ триды большей части металлов — от хрома до циркония — ста­ бильны, с высокой увеличивающейся прочностью. Нитриты же­ леза мало прочны и при температу­

Растворимость азота в чистом железе в интервале 1538— 2000 °С можно определить уравнением:

в железе показано на рис. VII.6. Элементы Мп, Та, Сг, Nb, V увеличивают растворимость; С, S i, S и О заметно снижают; Со, Си, Ni, W и Мо не влияют на растворимость азота в жидком железе. Рис. VII.7 показывает изменение активности азота в жидком железе в зависимости от концентрации легирующего элемента. Активность определялась отношением растворимости азота в чистом железе к растворимости в данном сплаве. Имею­ щиеся экспериментальный и теоретический материалы позво­

Рис. VII.8. Схема вакуумной обработки стали в ковше:

/ —смотровое окно; 2 — дозирующий бункер для добавок и раскислителей; 3 — крышка камеры; 4 — вакуум-камера; 5 — вакуум-провод; 6 — сталеразливочный ковш; 7 — охладитель; 8 — вакуумный затвор; 9 — трехступенчатый пароэжекторный насос; 10 — двухступенчатый пусковой эжектор; 11 — конденсаторы

введения аргона через пористую огнеупорную пробку, постав­ ленную эксцентрично в дно ковша. Расход аргона при про­ дувке 100-т ковша в течение 15 мин составляет 0,06 м3/т. Со­ временное вакуумирование производится пароэжекторными на­ сосами, снижающими давление до 130 Па и ниже. При этих условиях в стали, раскисленной кремнием и алюминием, содер­ жание водорода снижается на 20—40 %, в готовом металле оказывается 1,8—2,2см3/100 г; концентрация кислорода сни­ жается на 30 %. Подобные результаты достигаются и на ва­ куумных установках с электромагнитным перемешиванием (ЭМП). Однако следует заметить, что оборудование для про­ дувки нейтральным газом менее сложно и, кроме того, для электромагнитного перемешивания сталеразливочный ковш должен быть изготовлен из немагнитной листовой стали. Эф­ фективность вакуумирования повышается при обработке нераскисленной или частично раскисленной стали. В этом случае имеет место реакция [С]+[0] = С0г, которая развивается вправо с большей интенсивностью. Имеющаяся опасность выброса из-за возможного бурного вскипания может быть предупреждена ре­ гулированием вакуумирования продувкой нейтральным газом и увеличением не менее чем на 1 м высоты стенки сталеразливрчного ковша. При этих условиях водород может быть удален

в конце обработки вводят ферросплавы из бункера, также на­ ходящегося под вакуумом.

Существенное развитие получает обработка стали под ва­ куумом при вакуумировании стали в струе. Этот способ осу­ ществляется при переливе стали из сталеразливочного ковша в ковш, установленный в вакуумной камере. Перелив происхо­ дит через промежуточный ковш, который ставят на вакуумную камеру. Приемное отверстие вакуумной камеры для жидкой стали уплотнено и перекрывается толстой алюминиевой про­ кладкой. По заполнении промежуточного ковша и достижении необходимого разрежения сталь из промежуточного ковша про­ жигает алюминиевую прокладку и переливается в ковш, стоя­ щий в вакуумной камере. Струя стали сливается в вакууме со значительным раскрытием (120—150°), разделяясь на отдель­ ные струи. При сильно развитой и непрерывно сменяющейся поверхности происходит интенсивная дегазация, так что при обработке переливом в вакууме нераскисленной стали, даже при остаточном давлении до 650 Па, достигается снижение в металле содержания водорода до 1—2 см3/100 г, кислорода на 50—60 % и азота на 20 % от исходного. Подобные резуль­ таты достигаются и при переливании раскисленной стали, но в этом случае давление в вакуумной камере должно быть не выше 65 Па.

Существенный недостаток рассмотренного способа в том, что обработка в вакууме занимает два сталеразливочных ковша и соответственно обусловливает повышение расхода огнеупоров. Существенны общие недостатки ковшового вакууми­

имеет два патрубка — подъемный и сливной. Патрубки опуска­ ются в металл сталеразливочного ковша и по создании разре­ жения сталь поднимается в камеру на соответствующую баро­ метрическую высоту. Во всасывающий патрубок через пористую огнеупорную вставку подается аргон с расходом 0,07—0,10 м3/т. По этому патрубку в вакуумную камеру, фонтанируя, непре­ рывно поступает газо-металлическая смесь. После дегазации ме­ тал, более плотный по состоянию, возвращается в ковш, со­ здавая непрерывную циркуляцию. Конструктивными парамет­ рами, разрежением и подачей аргона создаются определенные усЛовия циркуляции, чтобы коэффициент циркуляции был до 4.

§ 2. Обезуглероживание в вакууме

Особый интерес проблема обезуглероживания в вакууме при­ обрела в связи с дополнительной возможностью снизить содер­ жание углерода <0,02 % при производстве технически чистого

железа, электротехнической и коррозионностойкой стали, хо­ лоднокатаного листа.

В лабораторных условиях при высоком разрежении произве­ дение /п=[СХО] может быть достигнуто 1 • Ю-5, что определяло возможные концентрации [С]=0,0044-0,0002 %, и [0]=0j005-r- 4-0,004%. Конечно, в промышленных условиях такие резуль­ таты труднодостижимы из-за ограниченности вакуумирования глубиной вакуума и временем дегазации, неизбежным контак­ том металла со шлаком, футеровкой и кинетическими услови­ ями. Однако вакуумирование в промышленных условиях поз­ воляет иметь произведение [С1[0]= (34-4) • 10-4, что отвечает содержанию углерода ~ 0,005 % и кислорода 0,04—0,08 %. Од­ новременно с вакуумированием способствуют снижению оста­ точного кислорода и углерода перемешивание металла, распад его на струи, капли, значительное увеличение поверхности раз­ дела металл — газ. Благоприятно действует на обезуглерожи­ вание обдув и еще больше продувка технически чистым кисло­ родом, а также аргоном.

С этих позиций большими возможностями располагает цир­ куляционный способ вакуумирования. На основе последнего японские фирмы разработали способ RH-OB, т. е. циркуляци­ онный способ с кислородным дутьем. В этом случае кислород подают вместе с аргоном во всасывающий патрубок или на по­ верхность газо-металлической смеси, поступающей в вакуум­ ную камеру. Кислород поступает по концентрическим трубкам с защитным газом Аг, N2 или С02. В этом способе пузыри ар­ гона способствуют реагированию углерода и кислорода, и после обработки нераскисленной стали, содержащей 0,04—0,06 % С, через 15—20 мин при коэффициенте циркуляции 3,5—4,0 содер­ жание углерода снижалось до 0,01 %.

Как уже отмечалось, вакуумная обработка стали снижает и содержание неметаллических включений за счет реакции

МеО + [С] = [Ме\ + СОг.

Однако предпочтительно сталь обрабатывать под вакуумом нераскисленную. В связи с этим оптимальнее обрабатывать вакуумурованием металл с большей начальной концентрацией растворенного кислорода, меньшим содержанием неметалличе­ ских включений, чтобы получить более низкие концентрации остаточных углерода и кислорода при низком балле (1—2) не­ металлических включений.

Рассмотренные процессы вакуумного обезуглероживания широко используются в производстве высокохромистых корро­ зионностойких сталей. Хромистые стали имеют тем большую коррозионную стойкость, чем меньше в них содержание угле­ рода. В связи с этим при производстве коррозионностойких ста­ лей в дуговых печах для удаления углерода ванну продувают

кислородом до возможно низкого содержания углерода, тем самым удлиняют плавку, что сопровождается повышенным рас­ ходом кислорода. Но самое отрицательное то, что продувка ванны кислородом вызывает окисление хрома, начинающееся еще при высоком содержании углерода, что определяет боль­ шой угар дорогостоящих легирующих.

Вакуумное обезуглероживание сокращает плавку и снижает угар хрома, который составляет не более 2 %. Кроме того, представляется возможным пользоваться дешевым высокоуг­ леродистым феррохромом вместо дорогого безуглеродистого. Все это в совокупности повышает производительность плавиль­ ного агрегата и качество продукции, удешевляет производство.

продувки составляет до 65 Па. Содержание кислорода после вакумного обезуглероживания и окончательного раскисления не превышает 0,005 %.

Обезуглероживание стали в вакууме с успехом производится

вустановках порционного и циркуляционного вакуумирования,

атакже и ковшовым вакуумированием с продувкой металла кислородом сверху и аргоном через пористую вставку в днище ковша (рис. VI 1.12). На таком принципе основан способ ва- куум-кислородного обезуглероживания VOD.

Расширение технологических возможностей предоставляет установка печь-ковш (рис. VII.13). Это ковшовое вакуумиро­ вание с продувкой аргоном и дуговым подогревом. Подогрев стали позволяет продлить вакуумную обработку, дает возмож­

ность навести необходимый шлак и провести под ним внеагрегатное рафинирование. Вакуумирование и нагрев происходят при невысоком разрежении, не более 1,3 кПа, так как теряется устойчивость дуг. В это время сталь раскисляется углеродом, уменьшается содержание водорода и производится легирова­ ние. По достижении заданной температуры электродуговой на­ грев отключается и уменьшаются давление до 130 Па для рас­ кисления стали углеродом и снижения водорода. После этого в конце дегазации в ковш вводят необходимые присадки крем­ ния и алюминия. Продолжительность обработки 80—100 т стали составляет 40—90 мин. Содержание водорода снижается до 1,0—1,5 см3/Ю0 г, остаточный кислород — до 0,001 %.

§ 3. Продувка металла в ковше инертными газами

Продувка стали в ковше инертными газами — самый простой способ внепечной обработки стали, поэтому он наиболее широко применим. Для продувки применяют аргон, а в случае, если сталь не содержит нитридообразующих элементов,— азот. Про­ дувку осуществляют при давлении 0,2—0,5 МПа в течение 5— 15 мин расход газа 0,5 м3/т. Большие расходы (до 1,5 м3/т) вызывают сильные теплопотери и чрезмерное снижение темпе­ ратуры.

Продувка осуществляется через шиберный затвор, пористое днище, пористые швы в днище, а чаще-всего через пористые пробки в днище. Продувка усредняет и выравнивает состав и температуру стали в ковше. Пузырьки газа флотируют неметал­ лические включения, которые прикрепляются к газовым пу­ зырькам и выносятся из металла тем больше, чем больше по­ верхностное натяжение на границе включение — металл и меньше их смачиваемость. Наблюдается снижение содержа­ ния кислорода, серы и в меньшей степени азота. Обычно про­ дувке подвергают хорошо раскисленный металл. Сталь, обра­ ботанная продувкой аргоном в ковше, имеет повышенные пла­ стические свойства и меньшую анизотропию свойств.

§ 4. Внепечная обработка стали синтетическими шлаками

По первоначальной схеме составляющие синтетического шлака в твердом виде загружали на дно ковша, с выпуском металла они расплавлялись, металл перемешивался со шлаком, очи­ щался от вредных примесей и неметаллических включений. Идея рафинирования металла жидким шлаком была предло­ жена Переном (Франция) и А. С. Точинским в 1925 гг. В 50-х годах был проведен ряд успешных работ ЦНИИчерметом, в ре­ зультате которых обработка металла известково-глиноземистым шлаком получила широкое распространение.