Анализ влияния неметаллических включений на свойства стали

      Разновидностью метода обработки стали жидкими синтетическими шлаками является так называемый метод смешения, когда в сталеразливочном ковше одновременно смешиваются сталь, синтетический шлак и жидкая лигатура (расплавленные ферросплавы). Использование этой технологии позволяет, например, смешивать металл из 100-т мартеновской плавки и лигатуру, полученную в 20-т дуговой электропечи и получать 120 т высококачественной стали электропечного сортамента. Иногда плавку лигатуры совмещают с расплавлением синтетического шлака, т. е. в одной электропечи плавят и лигатуру и необходимое количество синтетического шлака; полученные таким образом лигатуру и шлак сливают в ковш, в который затем выпускают плавку из мартеновской печи или конвертера. Такой способ называют совмещенным (рис. 19) 

    
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 19 - Схема совмещенного способа раскисления, легирования и рафинирования стали

       Такие способы, как метод смешения или совмещенный позволяют, в необходимых случаях, обеспечить производство в мартеновском или конвертерном цехе высококачественной стали с использованием относительно простого оборудования. При этом очень важной является также возможность обеспечения стандартных показателей качества от плавки к плавке при обработке металла синтетическим шлаком стандартного состава. Расход синтетического шлака относительно невелик: 3 - 5 % от массы металла. При относительно малом количестве шлака легче обеспечить стандартность его состава и свойств.

      В процессе отработки технологии разработан ряд составов синтетических шлаков в основном на основе извести и глинозема, обладающих достаточной жидкоподвижностью при температурах жидкой стали; созданы шлакоплавильные печи непрерывного действия.

      Основным требованием, предъявляемым к синтетическим известково-глиноземистым шлакам, является минимальная окисленность (это обеспечивает хорошие условия для раскисления стали и ее десульфурации) и максимальная активность СаО (это обеспечивает хорошие условия для десульфурации стали).

      В связи с этим в синтетических известково-глиноземистых шлаках не должно содержаться оксидов железа, а содержание кремнезема должно быть минимальным. Содержание фосфора в таких шлаках исключается, так как при обработке он перейдет в металл. В тех случаях, когда в шихте, из которой плавят шлак, содержится некоторое количество кремнезема, в состав шлака вводят магнезию, образующую силикаты магния и уменьшающую, таким образом, вредное воздействие кремнезема, снижающего активность СаО. Обычный состав синтетического шлака, используемого на заводах, следующий: 50 - 55 % СаО; 37 - 43 % А1₂O₃; до 7 % SiО₂ (в некоторых случаях до 10 - 15 % SiO₂); до 7 % MgO. Температура плавления шлака в зависимости от состава изменяется от -1400 °С (в шлаке 50 - 55 % СаО, 38 - 43 % А1₂О₃ и < 4,0 % SiО₂) до -1300 °С (в шлаке до 6 - 7 % SiO₂ и 6 - 7 % MgO). Расход шлака 3,0 - 5,0 % от массы металла. При обработке металла синтетическим шлаком такого состава (высокая основность и низкая окисленность) протекают следующие процессы:

1.   Десульфурация. Обычно после обработки шлаком содержание серы в металле снижается до 0,002 - 0,010 %.
2.   Раскисление. В соответствии c законом распределения L₀ = a_(FeO)/a_[O] и а_[0] = a_(Fe0)/L₀. Поскольку в синтетическом шлаке значение a_(FeO) ничтожно мало, окисленность металла снижается (в полтора - два раза).
3.   Удаления неметаллических включений. В тех случаях, когда межфазное натяжение на границе капля синтетического шлака - неметаллическое включение σ_{c. ш-вкл.} меньше, чем межфазное натяжение на границе металл - неметаллическое включение σ_м-вкл , т. е. при  σ_{c. ш-вкл.} < σ_м-вкл  капли синтетического шлака будут рафинировать металл от включений (капли шлака, всплывая, уносят неметаллические включения). Соотношение между величинами σ_{c. ш-вкл.} и σ_м-вкл  зависит от состава включений. Практика показала, что общее содержание неметаллических включений после обработки синтетическим шлаком уменьшается примерно в два раза.

      Достоинством метода обработки стали синтетическими шлаками, является его небольшая продолжительность. 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, переносят в ковш. При проведении операции обработки металла шлаком приходится учитывать ряд моментов:

      1) нежелательность попадания в ковш, в котором производится обработка, вместе с металлом также и шлака из печи или из конвертера;

       2) необходимость введения в ковш помимо синтетического шлака также и раскислителей (а при выплавке легированных сталей, также и легирующих материалов);

      3) изменение в процессе обработки состава шлака. Особенно трудной задачей для практического осуществления является задача отсечки шлака при выпуске металла.

      В процессе обработки синтетическим шлаком несколько уменьшается окисленность металла, однако не настолько, чтобы полностью отказаться от применения раскислителей, поэтому кроме шлака в ковш вводят необходимое количество раскислителей. Метод обработки металла синтетическим шлаком обеспечивает стандартные результаты десульфурации до известных пределов (обычно до 0,005 - 0,007 %), поэтому применение его особенно эффективно в случае обработки металла с высоким содержанием серы. В тех случаях, когда необходимо устойчиво получать более низкие концентрации серы, используют другие способы. [10] 

      3.4 Продувка металла инертными газами 

      При продувке инертными газами массу металла пронизывают тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых служит своеобразной маленькой вакуумной камерой, так как парциальные давления водорода и азота в таком пузыре равны нулю. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава. В тех случаях, когда поверхность металла покрыта шлаком заданного состава, при перемешивании улучшаются условия протекания ассимиляции таким шлаком неметаллических включений. Большое количество пузырей инертного газа приводит к интенсификации процесса газовыделения, так как пузыри являются готовыми полостями с развитой поверхностью раздела, что очень важно для образования новой фазы.

      Продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому продувку инертным газом часто используют для регулирования температуры металла в ковше. Проведение операции продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому, если это возможно, обработку вакуумом заменяют продувкой инертными газами через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор.

      Для процесса продувки металла инертными газами характерно:

      1) уменьшение содержания газов в металле;

      2) интенсивное перемешивание расплава, улучшение условий протекания процессов перевода в шлак неметаллических включений, при этом состав металла усредняется;

      3) улучшение условий протекания реакции окисления углерода;

      4) снижение температуры металла.

      Метод продувки инертными газами для повышения качества металла получил промышленное распространение по мере освоения технологии получения больших количеств дешевого аргона как сопутствующего продукта при производстве кислорода. На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося аргона достаточен для обработки больших количеств стали.

      Для продувки металла, не содержащего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т. п.), часто используют азот. При 1550 - 1600 °С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1 - 3,0 м³/т стали. В зависимости от массы жидкой стали в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона может происходить со скоростью 2,5 - 4,5 °С/мин (в технологии без продувки скорость охлаждения 0,5 - 1,0 °С/мин). При продувке тепло дополнительно расходуется на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому используется такой простой и достаточно эффективный прием, как накрывание ковша крышкой при продувке. Этим одновременно достигается снижение степени окисления обнажающегося при продувке металла.

      Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 20). Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью - в результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

 
Рисунок 20 - Фурма в виде ложного стопора для продувки металла в ковше

      Большое распространение получил способ продувки через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные пробки; в тех случаях, когда продувку проводят одновременно через несколько пробок, эффективность воздействия инертного газа на металл существенно возрастает. Пористые огнеупорные пробки выдерживают несколько продувок. Наряду с высокой газопроницаемостью пористые пробки должны обладать огнеупорностью, достаточной для надежной работы при 1550 - 1650 °С, а также термической и химической стойкостью к металлу и шлаку. Один из вариантов конструкции пробки показан на рисунке 21. Использование пробок данной конструкции обеспечивает интенсивное перемешивание метала.

      

 
1- пробка из гранул огнеупорного материала; 2 - огнеупорный корпус; 3 - пустотельный кирпич; 4- огнеупорная фурма; 5 - стальная трубка

Рисунок 21 - Конструкция устройства пробки для подачи аргона в металл

       Распространение получил также метод продувки металла через пористое днище ковша. Лучшим в эксплуатации оказалось днище из обычных огнеупоров с пористыми швами (рис. 22). Стойкость подобного днища такова, что оно служит всю кампанию ковша и заменяется только при ремонте футеровки. 
 
 
 

Рисунок 22 - Схема движения газометаллических потоков в ковше при продувке металла через пористые швы днища

      На рисунке 23 приведена схема продувочной фурмы с газовой защитой. Через такую фурму можно вдувать также и порошки. Получают распространение и другие способы. Степень протекания всех перечисленных выше процессов зависит от продолжительности продувки и от ее интенсивности (т. е. в конечном счете от расхода инертного газа):

1. продувка с расходом газа до 0,5 м³/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла;
2. продувка с интенсивностью до 1,0 м³/т влияет на удаление из металла неметаллических включений;
3. для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2 - 3 м³/т металла.

 
 
 
 
 
 
 
 

1 – фурма; 2 – подвод газа на продувку; 3- конус; 4 – подвод газа на струйную защиту; 5- футеровка; 6- крепление конуса; 7- продувочное сопло

Рисунок 23 - Схема продувочной фурмы с газовой защитой

      Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом с обработкой шлаком способствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как при интенсивном перемешивании при продувке увеличиваются продолжительность контакта и сама поверхность контакта металла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то при условии создания атмосферы инертного газа в пространстве между крышкой и поверхностью шлака металл будет защищен от окисления, а снижение потерь тепла позволит увеличить время контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана технология так называемого CAB - процесса. Как видно из рисунка 24, в данной технологии предусмотрено наличие на поверхности металла в ковше синтетического шлака заданного состава. В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает окисленный конечный шлак, применим метод, названный SAB-процессом (рис. 25).

      
 
 
 

 

      Введение в металл добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается при несколько усложненном способе защиты зоны продувки - это так называемый CAS- процесс. По этому способу в ковш сверху вводят огнеупорный колпак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим конусом таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак. Через колпак вводят ферросплавы, снизу в ковш подают аргон для продувки. Этот метод позволяет достичь высокой степени усвоения элементов, вводимых с добавками в металл (рис. 26).