Производство кипящей стали в конверторе

    Введение  

    Кипящая сталь − сталь, не полностью раскисленная в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице за счет взаимодействия оксида железа FeO с углеродом. Образующийся при этом оксид углерода СО выделяется из стали и она не содержит неметаллических примесей, обладая при этом высокой пластичностью.

    Кипящую сталь раскисляют так, что она  и во время наполнения изложницы  и после окончания процесса наполнения выделяет газ. В результате реакции  углерода с кислородом на фронте затвердевания образуется окись углерода. При этом формируются чистый поверхностный слой (плотная корка) и сердцевина, обогащенная примесями (зона ликвации). Интенсивное выделение газа вплоть до полного затвердевания предотвращает сосредоточенное уменьшение объема в середине верхней (головной) части слитка. Уменьшение объема (усадочная раковина) обусловливается неодинаковым удельным объемом стали в жидком и твердом агрегатных состояниях. В кипящей стали раковина распределена в форме газовых пузырей (пор) по всему объему слитка. При последующей горячей обработке давлением газовые пузыри завариваются, так как они почти не загрязнены. Это положительно сказывается на выходе годного. Еще одним преимуществом является чистая поверхностная зона, удовлетворяющая высоким требованиям к качеству поверхности. Недостатком является обогащение элементами-примесями (ликвация): углеродом, фосфором, серой, азотом и кислородом в осевой зоне, особенно в верхней части слитка. Это приводит к неравномерности свойств материала по высоте слитка и по его поперечному сечению. Еще одним недостатком является повышенная склонность к хрупкому разрушению, так как азот связать не удается.

    Кипящая сталь занимает важное место в  общем объеме производства проката  из черных металлов. Это обусловлено  рядом положительных ее свойств: невысокая стоимость, повышенный выход годного, хорошие пластические свойства и большая пропускная способность различных пролетов по сравнению со спокойной или полуспокойной сталью. Кипящую сталь разливают в уширенные книзу изложницы без прибыльных надставок или теплоизоляционных плит, что упрощает подготовку составов для разливки.

    Широкое распространение получили различные  способы раскисления, закупоривания и микролегирования кипящей стали и оптимизации процесса кипения в изложницах и кристаллизаторах МНЛЗ. Тем не менее, остаются нерешенными проблемы сокращения технологической обрези слитков, повышения химической однородности и снижения склонности металла к старению. 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Производство стали в конверторах 

      Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху.

      Впервые кислородно-конвертерный процесс в  промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952–1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране – кислородно-конвертерного).

      В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30..50 мин.

      Процесс занимает главенствующую роль среди  существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного  способа заключается в возможности  переработки чугуна практически любого состава, использовании металлолома от 10 до 30 %, возможности выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительности, малых затратах на строительство, большой гибкости и качестве продукции.

    Кислородный конвертер (рисунок 1) представляет собой сосуд 1  грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри  основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное.  Кислород подается в него под давлением 0,8..1 МПа с помощью  водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии  0,3..0,8 м.

    Рисунок 1  - Кислородный конвертор (схема) 

    Конвертеры изготовляют емкостью 100...350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50...60 м³.

    Материалами для получения стали в кислородном  конвертере служат жидкий передельный  чугун и стальной лом. Для наводки  шлака в конвертер добавляют железную руду и известь, а для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.

    Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250...1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.

    При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислородом дутья, так и оксидом железа FeO. Одновременно образуется активный шлак с необходимым содержанием СаО, благодаря чему происходит удаление серы и фосфора с образованием устойчивых соединений Р₂О₅ ∙ ЗСаО и CaS в шлаке.

    В момент, когда содержание углерода достигает значения, заданного для выплавляемой марки стали, подачу кислорода прекращают, конвертер поворачивают и выливают вначале сталь, а затем — шлак.

    Для уменьшения содержания кислорода сталь  при выпуске из конвертера раскисляют, т. е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к. кислороду (Si, Mn, A1). Взаимодействуя с оксидом железа FeO, они образуют нерастворимые оксиды МnО, SiO₂, А1₂О₃, переходящие в шлак.

    Производительность  кислородного конвертера емкостью 300 т достигает 400...500 т/ч, в то время как производительность мартеновских и электропечей не превышает 80 т/ч. Благодаря высокой  производительности и малой металлоемкости кислородно-конвертерный способ становится основным способом производства стали. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 Природа и свойства кипящей стали 

    По  природе кипящая сталь отличается от спокойной содержанием кислорода. В спокойной стали обыкновенного  качества содержание кислорода, как  правило, не превышает 0,005..0,006%; в высококачественных сталях оно снижается примерно до 0,002..0,003%. При этом значительно повышаются качественные характеристики металла. В кипящей стали содержание кислорода составляет 0,02..0,04%, что в большинстве случаев считается оптимальным. При таком содержании и обеспечивается нормальное кипение стали при разливке в изложницы или кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

    Кипение слитка при  разливке считается нормальным, если качество слитка высокое: глубокое залегание сотовых пузырей (не менее 10..15 мм от наружной поверхности); отсутствие ситовидных мелких пузырей в наружной плотной корке; отсутствие значительной усадки (более 40..80 мм) в зависимости от массы слитка, а также отсутствие большой рослости (более 100 мм). Слитки не должны иметь глубоких трещин и поверхностных плен.

    В формировании структуры слитка кипящей  стали основную роль играют выделяющиеся из затвердевающего металла газы, содержащие главным образом двуокись и окись углерода. Их образование  обусловлено протеканием реакции  [C] + [O] = {CO}, для которой при р_СО = 0,1 МПа К = [%CO] ∙ [%O] = 0,0025.

    Таким образом, при определенной концентрации углерода необходимо располагать повышенной активностью кислорода. Так как активность кислорода в жидком железе значительно снижается при наличии таких примесей как кремний, алюминий, углерод, марганец, то  их присутствие в кипящей стали ограничивается. Кремний практически отсутствует, не считая следов (0,03%); содержание углерода колеблется от 0,05 до 0,27 % в зависимости от марки стали. Более высокое содержание углерода снижает интенсивность кипения стали, что приводит к ухудшению структуры слитка.

    Оптимальное содержание марганца 0,25..0,45%. Марганец в известной мере является регулятором  кипения. При его содержании ниже 0,25% активность кислорода при сравнительно невысоком содержании углерода резко возрастает и сталь при разливке кипит бурно с выделением большого количества газов, что приводит к получению слитков с большой усадкой. При содержании марганца выше 0,5% активность кислорода значительно снижается и вследствие этого кипение протекает вяло, что приводит к близкому к поверхности слитка расположению сотовых пузырей и большой его рослости.

    Сера  в кипящей стали, как и в  спокойной, является вредной примесью, ее содержание не должно превышать 0,03%.

    Фосфор  существенного влияния на структуру  слитка кипящей стали не оказывает. В сочетании с медью при низком углероде он является полезной примесью, так как придает металлу антикоррозионные свойства.