3.11. Десульфурация стали с использованием синтетических шлаков, твердых и порошкообразных смесей. Влияние обработки на качество готового металла.

Сера является вредной примесью в стали. Ее содержание в стали допускается от 0,005 до 0,06 %.

Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком же­лезе и ограниченной в твердом. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются застывающие в последнюю оче­редь сульфиды железа. Межзеренные прослойки фазы, богатой серой, при нагревании металла перед прокаткой или ковкой размягчаются, и сталь теряет свои свойства — происходит разрушение металла (краснолом­кость). Красноломкость особенно сильно проявляется в ли­той стали. Если сталь хотя бы однократно подвергалась горячей деформации, то красноломкость проявляется в гораздо меньшей степе­ни. Однако и в этом случае стремятся получить в стали ми­нимальное содержание серы из-за заметного вредного влия­ния ее на механические свойства стали. Поэтому удаление серы — одна из главных задач при производстве стали.

Сера является поверхностно-активным элементом. Высокая поверхностная активность серы приводит к тому, что на по­верхности раздела фаз концентрация серы выше, чем в объе­ме раствора. Поэтому наибольший эффект дает применение таких методов ведения плавки, которые обеспечивают увели­чение поверхности контакта металла с десульфурируюшей фа­зой (искусственное перемешивание металла со шлаком, вду­вание в металл тонкоизмельченных порошкообразных реаген­тов и т.п.).

Элементами-десульфураторами являются Mn, Mg, Na, Ca и др., а также церий (Се) и другие редкоземельные элементы.

Основным источником серы в шихте является чугун. Кроме того, определенное количество серы может попасть в металл с ломом (особенно со стружкой, не очищенной от смазочных масел), с добавочными материалами, а также из атмосферы печи, если печь отапливают топливом (мазутом, газом), содержащим серу.

В сталеплавильном агрегате удаление серы из расплав­ленного металла в шлак происходит в большинстве случаев в результате образования CaS:

Fe + [S] + (СаО) = (CaS) + (FeO),

при этом сера, растворенная в металле, реагирует с СаО в шлаке. Реакция протекает на поверхности раздела фаз, и увеличение этой поверхности (перемешивание металла со шлаком, вдувание в металл СаО в виде порошкообразной из­вести и другие способы) ускоряет эту реакцию и способст­вует более глубокой десульфурации.

Таким образом, удалению серы из металла (десульфурации металла) способствует:

1. наличие основных шлаков с высокой активностью СаО;

2. низкая окисленность металла, низкая окисленность шлака;

3. низкая концентрация серы в шлаке;

4. перемешивание металла со шлаком и увеличение по­верхности контакта;

5. повышение температуры ванны.

Обработка стали синтетическим шлаком

Синтетическим (от английского synthetic – искусственный) называют предназначенный для обработки стали в ковше шлак, который получают вне сталеплавильного агрегата. Синтетические шлаки выплавляют в электропечах, циклонных плавильных установках и других агрегатах. Жидкий шлак в необходимом количестве сливают в сталеразливочный ковш, который подают под выпуск. В процессе выпуска струя падающего в ковш металла образовывает шлак и металл с последующим разделением фаз. В результате этого образования резко увеличивается площадь поверхности раздела шлак-металл и скорость протекающих реакций. Результаты обработки определяются высотой падения струи металла, массой металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др.

В тех случаях, когда по условиям производства нет воз­можности разместить оборудование для расплавления синте­тического шлака, используют твердые шлакообразующие смеси из 10 – 30% плавикового шпата и извести. Эффек­тивность использования ТШС, естественно, ниже, чем жидких СШ. Основное требование к составам ТШС и СШ— минимум оксидов железа (для обеспечения максимального обессери­вающего эффекта).

Обычно при расходах синтетического шлака 30 – 50 кг/т такая обработка позволяет в ходе выпуска плавки получать степень десульфурации стали равную 30 – 70%. Наиболее эффективная десульфурация металла наблюдается при выпуске плавки из крупнотоннажных агрегатов.

Достоинством такого технологического приема, как обработка стали синтетическим шлаком, является ее кратковременность. Вся операция полностью осуществляется за время выпуска (слива) металла из агрегата в ковш, т.е. за несколько минут: производительность агрегатов при этом не только не уменьшается, но даже возрастает, так как такие технологические операции, как десульфурация и раскисление, переносятся в ковш.

Следует иметь в виду, что метод обработки металла синтетическим шлаком в обычных условиях обеспечивает стандартные результаты десульфурации до известных пределов (обычно не более чем до 0,005-0,007 %). В тех случаях, когда необходимо устойчиво получать более низкие концентрации серы, используют другие способы (основная футеровка ковшей, интенсивное перемешивание шлака с металлом, аргоном и др.).

Продувка металла порошкообразными материалами.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в ме­талл порошкообразных материалов) проводится для обеспе­чения максимального контакта вдуваемых твердых реагентов с металлом, максимальной скорости взаимодействия реаген­тов с металлом и высокой степени использования вдуваемых реагентов. Достоинством этого метода является также то, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, ко­торый оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть: 1) окислитель (например, кис­лород или воздух); 2) восстановитель (например, природный газ); 3) нейтральный газ (азот, аргон). В качестве вдува­емых реагентов используют шлаковые смеси, а также металлы или сплавы металлов. Метод вдувания порошков используют для ряда целей, одной из которых является десульфурация. Для удаления серы в металл вводят (в струе аргона или азота) флюсы на основе извести и плави­кового шпата; смеси, содержащие кроме шлакообразуюших также кальций или магний; реагенты, которые вследствие высоких энергий взаимодействия и соответствующего пиро-эффекта обычными способами вводить в металл нельзя (каль­ций, магний). При вдувании порошкообразных материалов в ковш удаление серы происходит как на границе металла со шлаком, так и на поверхности всплывающих частиц вдуваемого материала. В настоящее время для введения в глубь металла широко используют в порошкообразном виде различные шлаковые сме­си, а также магний, барий. Получила широкое распространение десульфурация стали с использованием щелочноземельных металлов (ЩЗМ), а также их сплавов и химических соединений (гранулированный магний, порошки силикокальция, карбида кальция и др.). Наиболее распространенным реагентов, используемым в составе вдуваемых смесей, является кальций.

Наилучшие термодинамические условия десульфурации создаются, когда шлак насыщен СаО и сталь хорошо раскислена.

Такие материалы, как порошкообразный кальций, являются дорогостоящими. Практика показала, что существенная экономия кальция до­стигается при введении порошка кальция в металл в виде проволоки, состоящей из оболочки (обычно- стальной), внутри которой находится спрессованный порошок. Оптимальным вариантом введения про­волоки является вариант ввода ее через специальное отвер­стие в крышке, которой накрывают в этом случае сталеразливочный ковш. Однако получила распространение и более простая технология — введение проволоки в открытый ковш без крышки. Материалы можно вводить в металл одной прово­локой или двумя одновременно. При этом в составе одной проволоки может быть порошок силикокальция, в составе другой — алюминий. Широкое распространение получила практика ввода в металл в виде проволоки алюминия.