Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Перемешивание металла со специально приготовленным (синтетическим) шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей (серы, фосфора, кислорода), которые удаляются в шлаковую фазу. В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна площади межфазной поверхности. Если основной задачей является удаление из металла неметаллических включений определенного состава, т° соответственно подбирают состав синтетического шлака (например, металл, выплавленный в кислой печи обрабатывают основным шлаком; металл, выплавленный в основной печи, -кислым). Если необходимо снижение содержания серы в ме' талле, то подбирают шлак с максимальной активностью СаО и минимальной активностью FeO и т.п. Во многих случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака заданны* состава и температуры, и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз. При этом должны быть обеспечены усЛ0' вия, необходимые для последующего отделения шлака от металла. Обработка стали в ковше жидкими синтетическими шлаками как способ удаления из металла от нежелательных примесей была предложена в 1925 г. советским инженером д.С.Точинским; в 1933 г. способ обработки металла жидкими извес1ково-глиноземистыми шлаками был запатентован французским инженером Р.Перреном. Практическую проверку прошел ряд разновидностей способа обработки металла шлаками различного состава: 1) жидкими известково-железистыми шпаками для дефосфорации; 2) кислым шлаком для снижения содержания кислорода и оксидных неметаллических включений; 3) жидкими известково-глиноземистыми шлаками для десульфурации и раскисления металла; 4) шлаками различного состава во время разливки и кристаллизации металла для удаления вредных примесей и получения хорошей поверхности слитка.

В 1927 г. А.С.Точинский впервые в мире провел промышленные эксперименты по дефосфорации бессемеровской стали известково-железистым шлаком, а в 1928—1929 гг. рафинировал основную мартеновскую сталь кислым шлаком для раскисления (содержание кислорода в металле удавалось снизить на 30—55%). Позднее известково-железистые шлаки (60—65% СаО и 20—35 % оксидов железа) неоднократно применяли для обработки конвертерной стали, получая высокую степень дефосфорации. Так, содержание фосфора в томасовской стали удавалось снизить с 0,06 до 0,01 %, а в рельсовой бессемеровской стали с 0,05—0,09 до 0,01—0,03%. Однако опыт показал, что обработка известково-железистым шлаком углеродистого металла приводит, вследствие протекания реакции (FeO) + [С] = СОГ + ¥еж к бурному вскипанию и выбросам. Кроме того, обработка железистым шлаком затрудняет проведение операции раскисления металла. Метод обработки стали известково-глиноземистым шлаком, начиная с 1959 г., исследовался ЦНИИЧМ и рядом заводов. В соответствии с разработанной технологией шлаки с высоким содержанием СаО и Добавками А12О3 (для снижения температуры их плавления и обеспечения необходимой. жидкотекучести) расплавляют в специальной электропечи и заливают в сталеразливочный к°вш при выпуске стали из сталеплавильной печи или из конвертера. При сливе металла на находящийся в ковше син-1етический шлак обе взаимодействующие фазы (сталь и шлак) Интенсивно перемешиваются, шлак эмульгирует в металле и в какой-то степени эмульгирует метаЯл в шлаке с последующим разделением фаз. Интенсивность и, глубина протекания процесса определяются высотой падения струи металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Основной целью является обеспечение в процессе обработки максимальной межфазной поверхности. Наибольшее влияние при этом имеет высота падения струи металла, а также вязкость шлака.

Содержащаяся в металле сера взаимодействует с СаО шлака и переходит в шлак. Поскольку синтетический шлак содержит обычно ничтожно малые количества таких оксидов, как FeO и МпО, то обработка шлаком сопровождается снижением окисленности металла; в шлак переходит также некоторое количество таких оксидных включений, которые хорошо смачиваются синтетическими шлаком или взаимодействуют с ним.

Разновидностью метода обработки стали жидкими синтетическими шлаками является упомянутый выше совмещенный процесс (или так называемый метод смещения), когда в ста-леразливочном ковше одновременно смешиваются и сталь, и 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. Метод смещения был разработан в 1970—1975 гг. на ИжМЗ.

Методы смешения и совмещенный позволяют в необходимых случаях   обеспечить   получение   в   мартеновском   или   конвертерном    цехе    высококачественной    стали    с    использованием относительно   простого   оборудования.   Во   всех   случаях   при обработке металла синтетическим шлаком возможно достижение   стандартного   состава   и   более   стабильных   показателе" качества  от  плавки  к  плавке.   Расход  синтетического  шлака относительно невелик:  3—5 %  от  массы  металла.  При  отиосИ тельно   малом  количестве  шлака   легче   обеспечить   стандаР^ ность его  состава  и свойств. На  основе разработок ЦНИИ4 метод   обработки   металла   синтетическим   шлаком  получил СССР  широкое распространение.  Технология обработки метаЛ^ ла синтетическими шлаками достаточно подробно рассмотре в работе [2].  

К основным требованиям, предъявляемым к синтетическим известково-глиноземистым шлакам относятся минимальная окисленность (это обеспечивает хорошие условия для раскисления Мали и ее десульфурации) и максимальная активность СаО (это обеспечивает хорошие условия для десул£фу-рации стали). В связи с этим синтетические известково-глиноземистые шлаки не должны содержать оксидов железа, а содержание кремнезема должно быть минимальным. Присутствие фосфора в таких шлаках исключается, чтобы не допустить его переход в металл при обработке. В тех случаях, когда в шихте, из которой плавят шлак, содержится некоторое количество кремнезема, в состав шлака вводят MgO, который образует силикаты магния и уменьшающую, таким образом, вредное воздействие кремнезема, снижающего активность СаО. Обычный состав синтетического шлака, используемого на заводах СССР, следующий, %: СаО 50-55; А12ОЭ 37-43; SiOj «7 (в некоторых случаях SiO2 до 10-15; MgO s 7). Температура плавления шлака в зависимости от состава изменяется от ~ 1400 (в шлаке 50-55 % СаО; 38-43 %А12О3 и «4,0% SiO;) до ~ 1300 °С (в шлаке 6-7% SiO2 и 6-7% MgO).

При обработке металла синтетическим шлаком такого состава (высокая основнрсть и низкая окисленность) протекают процессы:

1.         Десульфурации.   Обычно  после  обработки  шлаком  содер

жание серы в металле снижается до 0,002-0,010 %.

2.         Раскисления.   В   соответствии   с   законом   распределения

V    Vo/a[o]    "    я[о]°    a(FeO)/Lo-    ПосколькУ    в    синтети

ческом   шлаке   значение   о           ничтожно   мало,   окисленность

металла снижается (в 1,5-2 раза).

3.         Удаления   неметаллических   включений.   В   тех   случаях,

Когда межфазное натяжение на границе капля синтетического

Шлака -  неметаллическое  включение   <гсш_нв  меньше  межфаз

ного   натяжения   на   границе   металл-   неметаллическое   вклю

чение    ом_нв,    т.е.    при    ffcul_H.B<    <*„-„.„,    капли    синтети

ческого   шлака   будут   рафинировать   металл   от   включений,

уплывать  вверх,   унося  с  собой  неметаллические  включения.

Соотношение   между   величинами   сгсш_н   и   ffM_HB  зависит   от

с°става  включений.  Практика  показала,  что  общее  содержа-

ние  неметаллических  включений  после  обработки  синтетичее-ким шлаком уменьшается примерно в два раза.

Достоинством такого технологического приема, как обра.

ботка стали синтетическим шлаком, является ее кратковре

менность. Вся операция полностью осуществляется за время

выпуска (слива) металла из агрегата в ковш, т.е. за нес

колько минут: производительность агрегатов при этом не

только не уменьшается, но даже возрастает, так как такие

технологические операции, как десульфурация и раскисле

ние, переносятся 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 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. Практически трудно осуществима операция отсечки шлака при выпуске металла. Обработка синтетическим шлаком позволяет несколько уменьшить окисленность металла, однако не настолько, чтобы полностью отказаться от применения раскислителей, поэюму помимо шлака в ковш вводится необходимое количество раскислителей. Учитывая низкую плотность ферросилиция, необходимое его количество загружают на дно ковша еще до заливки в ковш синтетического шлака. После выпуска плавки на струю падающей в ковш стали присаживают такие материалы, как ферромарганец и феррохром, затем — сплавы, содержащие титан, ванадий, цирконий и т.п. Алюминий вводят в глубь ковша на штангах или в виде проволоки после окончания выпуска плавки.

Особенно опасно попадание в ковш конечного шлака из-за содержащегося в нем фосфора: в процессе раскисления почти весь фосфор, содержащийся в конечном шлаке, восстанавливается и переходит в металл. Разбавление синтетического шлака в результате всех этих процессов может достигать 30-40 %.

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.). Обработка металла синтетическим шлаком широко используется при различных вариантах технологии. Так, распространена практика, при которой обработка синтетическим шлаком дополняется продувкой металла в ковше инертным газом. Примером более полного использования шлака для удаления примесей из металла может служить также способ вакуум-шлаковой обработки. В этом способе ковш с жидким шлаком помешают в вакуумную камеру и сверху на этот слой шлака из другого ковша льется струя металла. Под влиянием вакуума шлак в ковше вспенивается, а струя — разрывается "а мельчайшие капли. В результате обеспечивается резкое Увеличение поверхности контакта металл- шлак.

В СССР на заводе "Днепроспецсталь" разработали метод обработки стали, который его авторы назвали вакуумирова-нйем с обработкой в столбе шлака (ВСШ). Способ ВСШ соче-тает преимущества и вакуумирования и обработки синтетическим шлаком, причем эффективность шлакового рафинирования "Ри этом повышается; предусматривается вакуумирование С1РУи металла в небольшой по объему вакуумной камере и Последующее рафинирование капель металла при их прохожде-ии через столб жидкого шлака барометрической высоты.