Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Одним из самых распространенных методов внепечного рафинирования с вдуванием порошков является обработка металла в ковше кальцийсодержащими материалами. Этому способствуют следующие свойства кальция [9]:

1.         Высокое    химическое    сродство    к    кислороду,    поэтому

введение   кальция   в   металл   обеспечивает   высокую   степень

его раскисления (5.1).

2.         Высокое   химическое   сродство   к   сере,   поэтому   введе

ние кальция в  металл обеспечивает  высокую степень  его де-

сульфурации   и   низкое    содержание   серы   после   обработки

(5.2).

3.         Благоприятное   влияние    на   морфологию    включений    в

стали.   Одним   из   наиболее   распространенных   раскислителей

стали является  алюминий, при использовании которого в ме

талле   образуются   тугоплавкие   включения   глинозема,   ухуд

шающие чистоту металла, механические свойства изделий из

него,  а также затрудняющие разливку вследствие зарастания

разливочных  стаканов.  Образующийся  при  введении  кальция

оксид  СаО, взаимодействуя   с частицами А12О3,  обеспечивает возникновение менее тугоплавких неметаллических включений (5.3); те из них, которые остаются в металле, имеют очень малые размеры и сферическую форму, они не деформируются в процессе обработки давлением, не вытягиваются в цепочки остроугольных кластеров, что характерно дпя включений глинозема и в малой степени ухудшают свойства металла. Раскисленная алюминием сталь после введения кальция практически не имеет и пластичных силикатов. Кальций уменьшает также вредное влияние оставшейся в металле серы, так как механические свойства сульфида кальция CaS существенно выше свойств сульфида марганца MnS, в результате сульфиды также приобретают более округлую форму при значительно меньшей длине (вдоль направления пластической деформации).

4.         Положительное   влияние   на   скорость   удаления   включе

ний.   Присутствие   кальция   способствует   переводу   ВКЛЮЧЕНИЙ

глинозема   в   жидкие   алюминаты  кальция,   что,   в   свою  оче

редь,   способствует   ускорению   удаления   включений   из   ме

талла.

5.         Благоприятное    влияние    на     обрабатываемость    стали,

что   способствует   повышению   производительности   металлооб

рабатывающих станков благодаря возможности работы на по

вышенных скоростях резания.

6.         Положительное     влияние    на    показатели     анизотропии

свойств,   механических   свойств   и   снижение   степени   сегрега

ции в крупных слитках для поковок и др.

Растворимость кальция в металле невелика. В чистом *е' лезе растворимость кальция составляет 0,032%. ОбычяЫ примеси  стали,   углерод,   кремний,   алюминий,   никель,   повышают растворимость кальция.

Наибольшее влияние оказывает

углерод: 1 % С повышает рас

творимость кальция почти

вдвое. Согласно исследова

ниям [10] растворимость каль

ция в химически чистом железе

при 1607 °С составляет всего

320-10"4%,     давление       пара

при        этой температуре

- 0,187 МПа. Физические и химические свойства кальция: кристаллическая решетка а-Са, устойчивая при обычной температуре — гранецентрированная кубическая, выше 464 °С устойчивая гексагональная форма Э-Са; плотность кальция при 20 °С 1,54 г/см3; температура плавления 851 °С, температура кипения 1482 °С; температурный коэффициент линейного расширения (до 300 °С) 22-Ю"6; теплопроводность при 20 °С 125,6Вт/(м-К); удельная теплоемкость (0-100 °С) 623,9 Дж/(кг • К). Кальций достаточно высокой чистоты пластичен, хорошо прессуется, прокатывается и подвергается обработке резанием.

Химически кальций очень активен. При обычной темпера-iype кальций легко взаимодействует с кислородом й влагой воздуха, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах или под минеральным маслом. При нагревании на воздухе (или в кислороде) кальций воспламеняется, образуя СаО. Известны также пероксиды кальция СаОг и СаО4. С холодной водой кальций взаимодействует сначала быстро, затем реакция замедляется, вследствие образования пленки Са(ОН)2. С Г»рячей водой кальций взаимодействует энергично. Взаимодействуя с сухим водородом при 300-400 °С, кальций обра-3Ует гидрид СаН2; при 500 °С кальций и азот образуют нит-РИД Ca3N2. При нагревании без доступа воздуха с графитом, Кремнием или фосфором кальций образует карбид СаС2, сили-toflbi Ca2Si, CaSi, CaSi2 и фосфид Са3Р2.

Промышленно чистый кальций получают двумя способами: 1'нагреванием брикетированной смеси СаО и порошка алюминия при 1200 °С в вакууме (1,33—2,66 Па); выделяющиеся по реакции 6 СаО + 2 А1 = 3 СаО • А12О3 + 3 Са пары кальция конденсируются на холодной поверхности; 2)электролизом расплава СаС12 и КС1 с жидким медно-кальциевым катодом приготовляют сплав Си-Са (65 % Са), из которого кальций отгоняют при 950-1000 °С в вакууме (1,33-0,013 Па).

В металлургии кальций чаще используется в виде силико-кальция, карбида кальция и цианамида кальция. Наиболее распространенный способ получения силикокальаия -углеродотермцческий. Сущность способа видна из реакции: СаО+ 2SiO2+ 5<Ј= CaSi2+ SCO. Сияикотерминеский способ основан на .восстановлении кальция кремнием Vй3 ферросилиция): 2 СаО + 3 Si = CaSi,+ СаО• SiO2. Диаграмма состояния системы Йа—Si приведена на 5.4.

Карбид кальция получают, восстанавливая оксид кальция углеродом (обычно коксом): СаО + ЗС= СаС2+ СО. Циаиа-мид кальция получают нагреванием СаС2 в токе азота-СаС2 + N2 = CaCN, + С. При использовании калышйсодержа-щих материалов в металлургии необходимо учитывать, ч1 кальций, как и другие щелочноземельные металлы (1ЯЗМ)> имеет высокое тавление насыщенного пара. МИ.Гасик ре1< мендует   [11]   длк   расчетов   использовать   следующую   зависцость Ре, от температуры lg р^ = —7760/7" + 9,36. Расчеты показывают, что уже при температуре около 1800 К давление насыщенного пара кальция превышает 100 кПа. На 5.5 приведены температурные зависимости давления пара ЩЗМ по данным [12]. Высокое давление насыщенного пара и возможность интенсивного испарения кальция в процессе его введения в расплавленную сталь определяют организацию технологии.

На 5.6 приведена общая схема процесса вдувания кальцийсодержащих компонентов в ковш. При подъеме частиц вдуваемого материала вверх на глубине Н (5.6) давление насыщенного пара превышает давление столба металла и шлака. 

Процесс введения кальция в сталь характеризуется рядом особенностей: большим пироэффектом, малой степенью усвоения и, соответственно, повышенной стоимостью обработки и т.д. Учитывая это, распространение получили два приема работы: 1) разубоживание материала, т.е. введение кальция в составе различных сплавов, смесей, соединений; 2) введение кальция (в виде этих смесей и соединений) не на поверхность, а в глубь металла (инъекция или инжекция). Само появление терминов "инъекционная" (или "инжекцион-ная") металлургия связано с разработкой способов введения в глубь металла именно кальция. Осуществлялось введение кальция прежде всего методом его вдувания в порошкообразном состоянии. Термил "инъекционная" или "инжекционная" металлургия       введен       металлургами       шведской       фирмы «Scandinavian Lancers" (SL), разработавшими одну из разновидностей способа с использованием фурм 1-образного вида (5.8); способ обозначается буквами Ij или I (Injection).

На 5.8 приведена схема наконечника фурмы. Наконечник, погруженный в металл, состоит из сменной части длиной 2,5 м и удлинителя многократного использования длиной 2,0 м. Порошкообразный материал вдувается горизонтально из двух отверстий диаметром по 12 мм. Наконечник погружают в жидкий металл на глубину 1,4 м при общей глубине ванны 1,5 м. В качестве газа-носителя используют высокочистый аргон (давление 0,3—0,4 МПа, расход 200-400 л/мин), продолжительность обработки обычно составляет 5—15 мин. Тепловые потери металла в процессе обработки порошкообразными материалами зависят от объема порошка, вдуваемого в металл, материала и др. Но средняя потеря тепла при обработке металла с использованием аргона составляет ~ 2 °С/мин.

На 5.9 показан общий вид системы для продувки металла в ковше. Система включает несколько контейнеров и пневмонагнетателей, что позволяет смешивать различные порошки и изменять состав смеси без остановки продувки металла. Один порошок подают из пневмонагнета1еля в струю газа-носителя, где он смешивается с другим порошком, поступающим из другого пневмонагнетателя. Таким образом, можно получить смеси: известь - шпаг, известь - карбид кальция, известь - магний, силикокальций - алюминий. В необходимое время могут быть добавлены и порошки ферросплавов для микролегирования стали различными элементами (В, Nb, Ti, Se, Те). Такая добавка микролегирующих элементов дает высокое последовательное их усвоение металлом.

Хорошим примером системы с несколькими контейнерами и пневмонагнетателями является производство борсодержащих "алей. Для получения хороших результатов от присадки бо-Ра сера и кислород в стали перед его присадкой должны находиться на возможно низком уровне, поэтому для понижения Удержания серы и кислорода в металле в течение первых 5—10 мин обработки в сталь из пневмонагнетателя А вдувают Порошок  известь—  шпат,  СаС2  или  силикокальций.  В  конце  обрабатывают на Новолипецком металлургическом комбине (HJ1MK) конвертерную сталь, предназначенную для изго-1()Вления газопроводных труб, эксплуатируемых в тяжелых ,сяовиях Севера, на металлургическом комбинате ^зовсталь" (МКАз) — углеродистые и низколегированные тали с узкими пределами содержания таких элементов, как tniaH, ванадий, ниобий.

В настоящее время для введения в глубь металла широк' используют в порошкообразном виде различные шлаковые см< си, а также кальций, магний, барий, редкоземельные мета' лы (РЗМ), способы ввода реагентов в глубь металла cM'f разнообразны, поэтому термины "вдувание порош*0' "инъекция" ("инжекционная" металлургия) включают больШ* число  самых  разнообразных  технологий.  В  СССР этим       С"

Каждое устройство предназначено для ввода в сталераз-/ «кочный ковш вместимостью 350 т силикокальция (до -кг/т), смеси извести и плавикового шпата (до 4 кг/т), орошкообразные реагенты вдуваются в сталь через футеро-йнную неохлаждаемую фурму, погружаемую в жидкий металл в "леразливочном ковше на глубину ~ 4,5 м.

Пневмотранспорт порошкообразных материалов от пневмо-'«тасов до фурмы (на расстояние 20-25 м) осуществляется 11 материалоттроводу с внутренним диаметром 16 мм.

Весоизмерительная  система,  состоящая  из  специаль-'"  системы   подвески,   тензометрических   датчиков,   вторич-^х приборов, обеспечивает оперативную информацию о коли-8е   порошка,   выдаваемого   каждым   насосом.   Устройства для ввода порошкообразных реагентов оборудованы системами контроля и регулирования расхода аргона на аэрацию „ транспортирование порошка. Работой устройств управляю! дистанционно с пультов управления УДСК. Для доставки порошкообразных материалов из отделений по их приготовлению к установкам доводки стали в ковше и последующей пневмо-перегрузки порошков в пневмонасосы используют загрузочные контейнеры вместимостью 1,5 м3, изготовленные в пожаро-взрывобезопасном исполнении.

Порошок силикокальция для вдувания получают в отделении, где установлена щековая дробилка для измельчения кусков силикокальция крупностью от 150 до 20 мм и шаровая мельница непрерывного действия с периферической выгрузкой порошка по всей длине барабана через сито с отверстиями диаметром 2 мм. Дробление и помол силикокальция производятся в атмосфере азота, который подается под герметичное укрытие дробилки и мельницы. Установлено, что для мелкодисперсной пыли силикокальция (фракция «0,05 мм), образующейся в процессе перегрузки, дробления и помола материала, пожаровзрывобезопасные условия гарантируются при содержании кислорода в защитной атмосфере до 5 % включительно.

Использование молотого силикокальция улучшенного гра

нулометрического состава обеспечивает устойчивый пневмо

транспорт порошка в ковш вместимостью 350 т без пульсаций

при производительности пневмонасоса 47—65 кг/мин. Неболь

шие (1-5 %) добавки плавикового шпата в мельницу при по

моле силикокальция способствуют значительному (*°

80-94 кг/мин) повышению производительности пневмонасосов.

При этом повышается текучесть материала, вследствие чего

увеличивается концентрация порошка в газе-носителе. ЭЮ

дает возможность снизить суммарный расход аргона на пнм-

мотранспор1 (с 44—68 до 36-40 мэ/ч), уменьшить барбо№*

металла и шлака в ковше и оптимизировать режим продув!*

Процесс обработки металла порошкообразным силикокалы!ие

сопровождается дополнительным (на 0,01-0,02 %) снижение

содержания алюминия в стали; температура металла в "0>

продувки силикокальцием в ковше вместимостью 350 т CI*

жаегся на 2—4 °С/мин независимо от вида рафинируюшлака. ,

Метод   вдувания   в   металл   кальцийсодержащих  щироко распространен за рубежом под различными названиями. В ФРГ данный способ известен как TN-процесс* . В США, Канаде и некоторых других странах этот метод получил наименование САВ-процесса . Практически во всех модификациях метода жидкую сталь выпускают в ковш, закрываемый затем крышкой, через которую вводят фурму для вдувания кальция (или, иногда магния) в струе аргона (иногда — азота) (5.10). Кальций испаряется и, поднимаясь вместе с пузырями аргона < зота), взаимодействует с примесями, главным образом, с серой. Переход серы из жидкой стали в шлак при взаимодействии с кальцийсодержащими материалами можно представить уравнениями:

[S] + Fe* + (СаО) = (CaS) + (FeO); К

[S]   (СаО)

(5.1) (5.2)

Практически это означает, что наилучшие термодинамические условия десульфурации создаются, когда шлак насыщен СаО и сталь хорошо раскислена. Наилучшие кинетические условия создаются при геремешивании металла со шлаком или шлаковыми частицами. При вдувании в металл кальция возможно протекание реакций: Са + [О] = СаО; Са + [S] = CaS. Суммируя реакции, получаем: 2 Са + 2[S] + [О] + Fex = = 2(CaS) + (FeO). Исходя из необходимости повышения эффективности использования кальция, вдуванию кальцийсодержащих смесей обычно предшествует введение таких сильных раскислителей, как алюминий. За кальцием остается в основном роль десульфуратора. Введение ЩЗМ в расплав в ковше с основной футеровкой позволяет получить в стали очень низкой активности кислорода и создает благоприятные усло-Вия для удаления серы до значений s 0,002 %. Содержание Кислорода   находится  на   уровне   0,0006-0,0008 %.  Применение данного   метода   позволяет   полностью   перенести   процесс  рафинирования в ковш.

Метод вдувания в металл в ковше порошков может использоваться также для получения стали с регламентированным содержанием азота, а также для легирования кремнием, никелем, молибденом, вольфрамом, свинцом и др. Для получения низкосернистой азотсодержащей стали могут использоваться смеси, содержащие цианамид кальция CaCN2. В этом случае газом-носителем служит азо1.

Переход азота в металл из газа-носи1еля облегчается при снижении в стали содержания кислорода и серы (и кислород и сера— поверхностно-активные элементы, препятствующие переходу азота в металл). В случае вдувания в ковш в сГруе азота порошка СаО с 10 % Mg по мере рафинирования металла от серы и кислорода содержание азота возрастает (5.11) и особенно заметно на заключительной стадии продувки, когда содержание серы снижается до 0,02%, а кислорода — до 0,005 % и менее.

При сравнении таких десульфураторов, как CaCN2, CaSi, СаС2 и магний наилучшие результаты получены при использовании смесей, содержащих магний С.5—15 % Mg в смеси с СаО). Степень десульфурации при вдувании магния достигает высоких значений (до 90 %), вдувание 0,1 кг Mg на 1т стали обеспечивает снижение содержания серы вдвое; для достижения степени десульфурации в 75—85 % требуется ввести уже 0,2 кг Mg на 1 т стали. Состав попадающего из конвертера или печи в ковш шлака в значительной степени влияет на протекание реакции десульфурации в ковше (5.12).

Использование для десульфурации порошка силикокальция организовать проще (имеется в виду более легкая организация имельчения, пневмотранспортировки и подачи порошка силикокальция через фурму), однако вдувание смеси СаО + Mg позволяет получить низкие концентрации серы заметно быстрее (5.13). По полученным на практике данным при продувке металла в ковше порошками снижение температуры металла составляет 2-3°С/мин. Необходимо учесть, что все работы с таким активным компонентом, как порошкообразный кальций, требуют особого внимания к вопросам техники безопасности. В СССР технология помола силикокальция (марок СК-25 и СК-30) отработана ЦНИИЧМ совместно с НЛМК*.

Для стабильной работы пневмонасоса, которым порошок подается в металл, фракционный состав порошка должен быть 0-1,6 мм. Для обеспечения максимальной реакционной способности порошка он не должен контактировать с влагой воздуха. Чтобы избежать запыления воздуха на рабочих местах, должна быть организована рациональная транспортировка порошка от места помола до места его потребления и исключено открытое пересыпание порошка из одной емкости в . другую. Отработку технологии помола осуществляли на ДВУ* модернизированных шаровых мельницах типа СМ-6008 (СМ 432) производительностью до 1,5 т/ч.

Учитывая,     что      мелкодисперсные     частицы     (фракчиИ 0—50 мкм) пыли свежепомолотого силикокальция, находясь во взвешенном   состоянии  в   воздухе  (аэровзвесь),   взрывоопэс и легко воспламеняются от случайной искры или от открЫ1г0 огня, мельницы оснастили системой подачи в рабочее пространство технически чистого азота. Систему КИПиА дополнили оборудованием для автоматического поддержания избыточного давления азота в мельницах в пределах от 10 до J00 Па для контроля содержания кислорода, количество ко-юрого в атмосфере работающих мельниц не должно превышать 2%. Кроме того, были установлены приборы контроля за концентрацией кислорода в атмосфере помещения, где установлены мельницы. Была модернизирована также систем* управления дозирующим лотком для расширения диапазона режимов подачи исходного материала в мельницу. Кусковой си-яикокальций фракций 20—150 мм (насыпная плотность 1500-1600 кг/м3) из закрытых металлических барабанов, в которых он поступал, загружался в приемный бункер щековой дробилки и дробился до фракций 0-20 мм. Из дробилки щебенка Поступала в саморазгружающийся контейнер вместимостью 4 м3 и затем перегружалась в приемные бункера шаровых мельниц.

Перед включением мельницы и началом помола рабочее пространство продували азотом до снижения концентрации кислорода в атмосфере мельницы < 2 % и установления избыточного давления 40-60 Па.

Готовый порошок силикокальция (насыпная плотность 1100—1300 кг/м3 при влажности 0,4-0,6 %) из мельницы поступал в герметичный транспортный контейнер вместимостью 2,2 м3, присоединенный к огводящему патрубку мельницы, в котором также поддерживалось избыточное давление азота.

Помол производился до наполнения транспортного контейнера, после чего мельницу останавливали и подачу азота Прекращали. Контейнер расстыковывали с мельницей, а на его место устанавливали другой контейнер, и цикл работы "ельницы повторялся. Заполненный контейнер герметически закрывали, опечатывали и отправляли в конвертерный цех на аРгонные установки. На установках контейнер стыковали с ""евмонасосом и линией подачи аргона, и порошок из кон-пневмотранспортом перекачивали в пневмонасос, спортный     газ     сбрасывался     из     пневмонасоса     через фильтр, что позволяло исключить запыление атмосферы цеха.

'Лучение необходимого фракционного состава порошка обвешивалось в результате оборудования мельницы вращающимся вместе с ней грохотом, оснашенным металлической сеткой с ячейками размером 1,6x1,6 мм. Грохот устроен таким обра. зом, что частицы более крупных фракций сбрасываются Из мельницы и могут быть повторно загружены в нее. Выход Из мельницы частиц фракций > 1,6 мм составлял в среднем 0,3%.

Основной причиной, приводящей к нарушению нормальной работы мельницы, явилось налипание (агломерация) мелких частиц силикокаяьция на мелющих телах (шарах), вследствие чего снижалась производительность мельницы, она перегре-валась и часто выходила из строя. Устранить налипание частиц на мелющих телах удалось применением импульсной подачи исходного материала в мельницу за счет включения в цепь управления вибратором дозирующего лотка реле времени. Возможны и другие способы измельчения кальция. На V Международной конференции металлургов, проходившей в США в апреле 1986 г., сообщались результаты работы фирмы EXTRAMET (Франция) [14], создавшей в 1981 г. технологию грануляции кальция. На установке фирмы поток жидкого кальция (или кальцийсодержащего расплава) дробится на капли, которые застывают в гранулы необходимого размера по мере падения в башне в атмосфере гелия. Низкое значение отношения площади к объему, а также отсутствие пыли и крошки делает гранулы более безопасными в обращении, чем, например, проволока с наполнителем, изготовленная механическим способом. Производство кальциевых гранул к 1986 г. превысило 1100 т/год, их широко используют на заводах США. Гранулы более безопасны, так как при их производстве не используется механическая обработка, а следовательно, не образуются взрыво- и пожароопасные аэрозоли.

В настоящее время в промышленных масштабах производятся, в частности фирмой "EXTRAMET Ind. S.A." (Франция), кальцийалюминиевые и кальцийникелевые гранулы. Кальций-алюминиевые гранулы используются преимущественно для производства низколегированных (например, низкокремнистых) сталей, а также низкоуглеродистых сталей, кальцийникеДО-вые — в основном для производства специальных легирован" ных сталей, таких, как низкоуглеродистые коррозионностой-кие с ограниченным содержанием кремния. Состав грану" приведен  на    5.14  и  5.15.   Использование   кальция не в чистом виде, а в виде сплавов заметно повышает степе]ц его усвоения и эффективность использования.