книги / Металлургия черных и цветных металлов

По этому способу шлак состава 53—55 % СаО, 43—45 % А120 з, < 3 % Si02, < 1 % FeO выплавляют в отдельной электро­ печи и заливают в сталеразливочный ковш в количестве 3—6 % от массы металла. При выпуске струя металла эмульгирует шлак, поверхность соприкосновения металл — шлак возрастает на несколько порядков, в связи с чем резко возрастает скорость перехода серы из металла в шлак, и за время выпуска стали 10—15 мин концентрация серы в металле снижается от 0,015— 0,033 до 0,005—0,012 %. Коэффициент распределения серы ме­ жду металлом и шлаком Ls (S)/[S] после обработки синтетиче­ скими шлаками колеблется от 27 до 77. Неметаллические вклю­ чения, продукты раскисления ассимилируются каплями синтети­ ческого шлака и выносятся из металла. Капли эмульгирован­ ного шлака способствуют укрупнению продуктов раскисления и удалению их из металла. Эффективность обработки стали син­ тетическими шлаками определяется температурой плавления, вязкостью, межфазным натяжением' металла и шлака. Темпера­

1550 °С, поэтому шлак имеет высокую жидкоподвижность. Меж­ фазное натяжение на границе шлак — металл зависит от со­ става фаз и колеблется в пределах 500—1300 МДж/м2. Работа когезии шлака 950—1250, а работа адгезии шлака к металлу 700—1200 МДж/м2, причем первая всегда меньше второй, по­ этому капельки шлака успешно удаляются из металла. Степень удаления серы составляет 50—80 %.

Очевидно, что в этих условиях успешно развивается экстрак­ ционное раскисление стали и вместе с удалением кислорода в неметаллических включениях происходит значительное умень­ шение в металле суммарного содержания кислорода. Так, в кон­ струкционной и подшипниковой стали, обработанной синтетиче­ ским шлаком, кислорода содержится 0,001—0,003 %, количе­ ство оксидносульфидных включений в стали после обработки синтетическим шлаком снижается в 2—2,5 раза. Сталь, рафини­ рованная синтетическим шлаком, приобретает повышенную пла­ стичность, ударную вязкость, при этом снижается анизотропия свойств.

§ 5. Обработка стали порошками

Обработка стали порошками в принципе аналогична обработке синтетическими шлаками. Порошкообразные реагенты удобнее и эффективнее вводить в расплав, вдувая в струе инертного газа. Преследуя цель десульфурации и глубокого раскисления, вдувают порошки СаО, CaO + CaF2, СаС2, SiCa + CaO, MgO + + CaO + CaF2 и др. Порошки обычно вдувают аргоном через фу­ терованную трубу, погруженную в металл, из пневматического

сера может быть снижена до 0,003—0,002 %- Обработка стали порошками не ограничивается десульфурацией, помимо этого уменьшается количество неметаллических включений и меня­ ется состав оставшихся. Уменьшение количества включений связано с тем, что заданные шлакообразующие образуют капли жидкого шлака из эвтектик и легкоплавких соединений, в них растворяются или ими флотируются неметаллические включе­ ния и выносятся из металлического расплава. Оставшиеся не­ металлические включения получают сферическую форму и за счет перемешивания более равномерно распределяются в рас­ плаве. В составе неметаллйческих включений уменьшается ко­ личество глинозема и сульфидов железа, заменяясь на оксид и сульфид кальция. В стали, обработанной порошками, повыша­ ются пластичность и ударная вязкость, уменьшается анизотро­ пия свойств.

В сталь вводят порошки щелочноземельных (ЩЗМ) и ред­ коземельных металлов (РЗМ). К первым относят бериллий, магний, кальций, стронций, барий; ко вторым — иттрий, лантан, лантаниды, иногда скандий. Химическое сродство ЩЗМ и РЗМ к кислороду и сере так велико, что в металле будут низкие ос­ таточные концентрации как кислорода, так и серы. Низкие тем­ пературы плавления и кипения ЩЗМ и РЗМ предопределяют их быстрое испарение и взаимодействие с растворенным кисло­ родом и серой на границе газовый пузырь — расплав за время

его всплывания. Глубокое раскисление расплава повышает ак­ тивность серы, в результате чего происходит эффективная де­ сульфурация и образуются общие продукты раскисления и де­ сульфурации — оксисульфидные неметаллические включения.

Низкие температуры плавления и кипения, высокие давле­ ния паров ЩЗМ и РЗМ вызывают явления взрывного харак­ тера при их непосредственном введении в расплав, что приводит к их низкой усвояемости, поэтому их использование возможно в виде лигатур, сплавов, брикетов с различными наполните­ лями. Присадки в металл осуществляют в ампулах, контейне­ рах или на штанге пакетом, завернутым в металлическую ленту. Наиболее эффективно введение в расплав ЩЗМ и РЗМ вдува­ нием их порошков в струе инертного газа или подачей в составе проволоки.

Из ЩЗМ наиболее применим в сталеварении кальций. Од­ нако из-за малой его растворимости в стали, низких темпера­ тур плавления и кипения давление его паров при 1600 °С до­ стигает 0,16 МПа, его усвоение при введении в чистом виде не­ велико. Присадки сплава кремния и кальция также сопровож­ даются взрывными явлениями. Наиболее часто применяется кальций в лигатурах с 15—22 % А1, 40—45 % Si, до 10 ,% В и др. Присутствие других реагентов снижает давления паров кальция, что способствует его лучшему усвоению. Вдувание по­ рошков кальциевых лигатур в струе инертного газа позволяет использовать раскислительную и десульфирирующую способно­

Кальций вводят в предварительно глубоко раскисленную алюминием сталь; в этом случае, как и при использовании каль­ циевых лигатур, содержащих алюминий, образуются алюми­ наты кальция тСаО-пАЬОз. Эти частицы, имея сравнительно низкую температуру плавления, ассимилируют сульфиды, обра­ зуя комплексы тСаО-пАЬОз’^СаБ, способные удаляться из расплава, а остающиеся включения имеют преимущественно глобулярную форму. Вдувание ЩЗМ в расплав в ковше с ос­ новной футеровкой создает благоприятные условия для удале­ ния серы до <0,002 %. При этом обеспечивается высокая раскисленность стали, содержание кислорода снижается до 0,0006— 0,0008 %. Расход ЩЗМ составляет 0,97 кг Са/т или 0,38 кг Mg/t стали.

Применение РЗМ полностью основано на принципах уже об­ сужденных. РЗМ вводят в сталь в виде мишметалла или лига­ тур, например сплав мишметалла с кремнием, содержащий 30—

40 % РЗМ. Так как температура кипения РЗМ низкая, но выше, чем кальция, то присадка их в сталь не вызывает особых ос­ ложнений. Высокая химическая активность РЗМ позволяет с их помощью глубоко рафинировать сталь от кислорода, серы и азота. Введение в расплав РЗМ дает возможность повысить ме­ ханические свойства стали, особенно ударную вязкость и*плас­ тичность при отрицательных температурах. Эффективное влия­ ние РЗМ на механические свойства стали связано не только с их способностью образовывать оксисульфидные и многофаз­ ные включения, но их растворение в металле оказывает моди­ фицирующее воздействие на сталь.

§ 6. Примеры технологических схем производства высококачественной стали. Мини-заводы

3 качестве примера современной отечественной схемы производ­ ства с внепечным рафинированием высококачественной стали рассмотрим технологию получения листовой стали для глубокой вытяжки (08Ю) и коррозионной сероводородостойкой (20Ю4) стали. Первая схема реализована на НЛМК, вторая—на «Азовстали». Обе схемы включают выплавку металла в кислородных конвертерах большой вместимости, целый ряд операций Внепечного рафинирования и последующую разливку на МНРС (08Ю) или в изложницы (20Ю4)ЦСталь 08Ю относится к классу не­ стареющих низкоуглеродистых сталей, она предназначена для изготовления автолиста. К качеству слябов из этой стали предъ­ являют высокие требования как по химической неоднородности и загрязненности газами и неметаллическими включениями, так и по наличию поверхностных и внутренних дефектов. Химиче­ ский состав стали 08Ю, легированной алюминием, следующий, % :i С<0,07, Si<0,01, Мп 0,20—0,35, S<0,020, Р<0,020, А1 0,02—0,07, Cr<0,03, Ni<0,06, Cu<0,06 (ГОСТ 9045—80). Ц обычных сталях содержание меди не регламентируется, и оно довольно часто составляет 0,15—0,20 %,. В связи с ограниче­ нием содержания меди при выплавке стали 08Ю в кислородном конвертере используют специально отобранный металлический лом. Ограничение содержания кремния (<0,02 '%,) вызывает необходимость использования для раскисления и легирования первичного алюминия и металлического марганца, так как в обычно применяемом вторичном алюминии и ферромарганце содержится кремний.

Технологическая схема производства стали для глубокой вытяжки представлена на рис. VI 1.5. В качестве шихтовых ма­ териалов для конвертерной плавки использовали передельный чугун, десульфурированный содой или магнием, и специально отобранный лом или оборотный скрап (обрезь прокатных це­ хов), в качестве шлакообразующих материалов — известь (со-

кусковатость 10—30 мм) и известняк фракции 30—50 мм.

По ходу плавки для охлаждения подавали в конвертер же­ лезорудные окатыши и металлический лом. Продувку кислоро­ дом осуществляли через пятисопловую фурму с интенсивностью 40—50 м3/(т-мин), изменяя положение фурмы над поверх­ ностью металла и расход кислорода в процессе плавки. Удель­ ный расход материалов применительно к 300-т конвертеру со­ ставлял: чугун 740—750 кг/т, скрап 280—290 кг/т, известь 97— 100 кг/т, кислород 59 м3/т. Продувку кислородом заканчивали при содержании углерода в металле 0,05—0,07 %. При выпуске металла из конвертера принимали меры для предотвращения попадания конвертерного шлака в ковш с помощью устройства поплавкового типа.

В связи с тем что сталь 08Ю относится к классу нестарею­ щих сталей, в ней ограничивается содержание азота (<0,003 % в холоднокатаном листе). Особые требования предъявляют к чи­ стоте кислорода, используемого для продувки металла в конвер­ тере (он должен содержать >99,5 % Ог). Кроме того, приме­ няют чугун с малым содержанием азота (до 0,006 %) и огря-

которой степени азота. Подобная технологическая схема позво­ ляет получать металл высокого качества, предназначенного для получения холоднокатаного автолиста.

Технологическая схема производства стали 20Ю4 представ­ лена на рис. VII.16. Сталь имеет следующий химический состав, %: С 0,16—0,22, Si 0,15—0,35, Мп 0,50—0,80, S<0,004, Р<0,020, Сг<0,30, А1 0,03—0,10. Эта сталь должна обладать повышенной устойчивостью в сероводородной среде, что предъявляет особые требования к содержанию серы и загрязненности неметалличе­ скими включениями. Загрязненность оксидами и сульфидами не должна превышать 1—2 баллов.

Сталь в виде полупродукта выплавляют в 350-т конвертере из шихты, состоящей из обрези низкосернистого металла и жид­ кого чугуна, подвергнутого внепечной десульфурации. Концен­ трация серы в полупродукте составляла 0,019 %. Металл во время выпуска покрыт жидким известково-глиноземным шлаком с повышенным содержанием MgO. Шлак предварительно зали­ вали в сталеразливочный ковш. Обработка шлаком позволяла снизить концентрацию серы примерно на 60 %. Во время вы­ пуска стали из конвертера в ковш проводили предварительное раскисление добавками ферромарганца, ферросилиция и вто­ ричного алюминия.

Дальнейшее рафинирование и доводку металла осущест­

менно кусковой алюминий. Затем проводили анализ пробы ме­ талла, отобранной во время продувки силикокальцием, и по ре­ зультатам анализа корректировали химический состав стали по содержанию марганца и алюминия. Конечное содержание серы в ковшовой пробе составляло 0,001—0,004 %.

Сталь разливали на 19,5-т слитки |Сифонным способом, ко­ торые потом прокатывали на лист. Листовой металл из стали 20Ю4 обладает высокими механическими свойствами и значи­ тельным сопротивлением хрупкому разрушению, к сероводород­ ному растрескиванию.

Широкое применение внепечной обработки жидкого металла предусмотрено также в технологических схемах мини-заводов. В настоящее время построено и успешно эксплуатируется боль­ шое число мини-заводов. В Советском Союзе функционируют

имеют доменного производства, обжимных станов, в их составе имеется одна или несколько дуговых электропечей, различного рода установок для внепечного рафинирования жидкого ме­ талла. Разливку обычно производят на МНЛЗ, полученные за­ готовки прокатывают на мелкосортных станах.

Мини-заводы работают главным образом на местном ломе, а также на металлизованном железорудном сырье собственного производства. Производительность мини-заводов составляет от 100 тыс. до 1 млн. т/год.

Строительство мини-заводов особенно интенсивно шло в пер­ вой половине 70-х годов — в годы экономического подъема в ка­ питалистических странах. Они требуют сравнительно малых об­ щих и капитальных затрат и обладают большой конкурентоспо­ собностью. Доля производственных мощностей мини-заводов

вСША за период с 1975 по 1985 гг. увеличилась с 6,4 до 16,6 %,

аобъем! их производства — с 6,8 до 20 %.

Сооружение и освоение производственных мощностей мини­ заводов продолжается всего лишь 1,5—2,0 года, в то время как для строительства крупных заводов с полным металлургиче­ ским циклом требуется 8—10 лет. В настоящее время в мире эксплуатируются свыше 270 мини-заводов с общей производи­ тельной мощностью более 50 млн. т/год, т. е. примерно 7—8 % от всех имеющихся мощностей в мире. Наши мини-заводы имеют проектную мощность 660—720 тыс. т литой заготовки. Каждый из них оснащен двумя 100-т сверхмощными электродуговыми печами, установками для внепечного рафинирования и двумя шестиручьевыми МНЛЗ и прокатными станами для производства мелкосортного проката из углеродистой и низко­ легированной стали.

Пример технологической схемы мини-завода (БМЗ), пред­ назначенной для производства кордовой стали, приведен на рис. VI 1.17. Сталь для корда должна иметь следующий хими­ ческий состав, %: С 0,69—0,74, Si<0,3, Мп 0,3—0,7, S<0,015, Р<0,015, Сг<0,05, Ni<0,05, Cu<0,05, 0<0,005, N<0,005. Ог­ раничения по содержанию серы и фосфора обусловливают не­ обходимость глубокой десульфурации и дефосфорации металла. Низкое содержание хрома, никеля, меди достигается использо­ ванием в качестве шихтовых материалов металлизованных ока­

тышей и небольшого количества скрапа (до 20 %), низкое со­ держание газов — путем вакуумной обработки жидкого ме­ талла. Полупродукт выплавляют в 100-т сверхмощной дуговой печи с трансформатором 75 .МВ-А, печь оборудована системой непрерывной загрузки окатышей. Она имеет эксцентричное вы­ пускное отверстие в подине, снабженное шиберным затвором. Технологией плавки предусмотрена загрузка бадьей 30 т окаты­ шей со скрапом в смеси с известью и коксом на оставшийся от предыдущей плавки жидкий металл. По расплавлении этой ча­ сти шихты производят непрерывную загрузку окатышей и про­ дувку кислородом. Кислород подают через стальную трубу, вставленную в рабочее окно печи. По расплавлении всей шихты металл сливают в сталеразливочный ковш. В ковш при сливе присаживают 75 %-ный ферросилиций, углеродную (электрод­ ную) крупку в бумажных мешках. Затем сталь в ковше проду­ вают аргоном, отбирают пробу на химический анализ. Ковш за­ крывают крышкой и подают к установке циркуляционного ва­ куумирования, при которой происходят рафинирование металла от водорода и азота и корректировка химического состава. При обработке происходит также гомогенизация расплава по со­ ставу и температуре и отделение неметаллических включений.

Во время обработки осуществляют контроль за давлением и количеством отсасываемых газов, что характеризует полноту рафинирования. Время обработки на циркуляционной установке от 10 до 40 мин в зависимости от предъявленных требований. После вакуумной обработки сталеразливочный ковш подают на стенд МНЛЗ, где сталь разливают на квадрат 140x140. За­ готовки прокатывают на полуфабрикат, а затем получают кор­ довую проволоку диаметром 0,15 мм.

Вопросы для самопроверки

1.В чем сущность процесса раскисления стали?

2.Как образуются эндогенные включения и каковы меры борьбы с ними?

3.В чем состоят принципы экстракционного раскисления?

4.Какие цели преследует легирование и способы его осуществления?

5.Какая растворимость газов в стали и какие меры по их удалению?

6.В чем заключается внепечное рафинирование стали?

7.Какие существуют способы внепечной обработки стали вакуумирова­

нием?

8 Какие возможности раскисления стали при вакуумировании?

9. Каким образом происходит обезуглероживание под вакуумом и его значение для сталеварения?

10.Какое влияние оказывает продувка металла инертными газами на ка­ чество стали?

11.Как осуществляется внеагрегатная обработка стали синтетическими шлаками и ее результаты?

12.С какой целью и как обрабатывается сталь порошками?

13.Чем вызвано появление и развитие металлургических мини-заводов и их социально-экономическое значение?

Рекомендательный библиографический список

Гольдштейн Я. Е., Мизин В. Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали.— М.: Металлургия, 1986.— 271 с.

Ершов Г. С., Бычков Ю. Б. Физико-химические основы рационального ле­ гирования сталей и сплавов — М.: Металлургия, 1982.—360 с.

Кудрин В. А. Металлургия стали.— М.: Металлургия, 1989.— 560 с^

Явойский В. И., Кряковский Ю. В., Григорьев В. П. и др. Металлургия отали.— М.: Металлургия, 1983.— 584 с.

Раздел VIII НЕПРЕРЫВНЫЕСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Г лав а 1. ОСНОВЫ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ

Современная металлургия характеризуется развитием механизации и автома­ тизации, созданием условий для непрерывных процессов. Именно в металлур­ гии появился первый непрерывный процесс, существующий и развивающийся уже седьмое столетие — это производство чугуна в доменных печах. Непре­ рывный доменный процесс протекает в одном агрегате. Он основан на проти­ вотоке реагирующих фаз. К настоящему времени суточная производительность доменной печи достигла 15000—18000 т.

В случаях, когда сложный технологический процесс состоит из отдельных ступеней взаимоисключающего характера, непрерывность такого процесса мо­ жет быть организована на основе нескольких агрегатов, сопряженных в це­ почку, работающих одновременно и последовательно, создающих единый не­ прерывный процесс по длине цепочки. Принципиальной особенностью непре­ рывных процессов в отличие от периодических является то, что параметры сосуществующих фаз в любом участке (сечении) агрегата или их цепочки остаются постоянными. Изменение параметров происходит по длине потока.

Для периодического процесса скорость изменения любого параметра (концентрации Сс, Смп, Ср , температуры /м, /шл и т. д.) определяется а/с = «ДС/Дт, где т —-время. Время изменения параметра Дт=ДС/шс. Для непре­

рывного процесса характерно Дт=Д/М, где Д/ —дасстояние по длине потока;

щ — средняя линейная скорость потока, откуда шс/щ = ДС/Д/, градиент лю­ бого параметра изменяется по длине потока. Таким образом, временные соот­ ношения, характерные для периодических процессов, преобразуются в прост­ ранственные, характерные для непрерывных процессов.

Непрерывные сталеплавильные процессы (НСП) в настоящее время вышли из стадии априорных предложений; известны лабораторные и полупро­ мышленные исследования. Остро ощущается необходимость в сталеплавиль­ ном агрегате непрерывного действия — САНД. Возможность создания САНД подготовлена современным уровнем техники. Непрерывное сталеварение мо­ жет быть обеспечено постоянством исходных материалов. Средства контроля и управления могут обеспечить постоянство заданных параметров процесса.

По своей природе НСП должны быть эффективнее любого периодического сталеплавильного процесса. В периодических процессах технологические ступени осуществляются практиче­ ски последовательно одна за другой, и общая длительность про­ цесса в принципе определяется суммой длительности каждой