Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Обычно порошкообразные реагенты вводят в металл через фурму сверху. Вместе с тем существуют и разновидности метода: 1) порошки вводят снизу через стакан-отверстие в шиберном затворе; 2) порошки вводят в подводящий патрубок (или в камеру над подводящим патрубком) установки порционного вакуумирования. В этом случае дегазация металла вследствие вакуумирования осуществляется одновременно с десульфурацией под воздействием вдуваемых реагентов (например, смеси Са + CaF2). Этот способ оказывается наиболее эффективным в случае обработки конвертерного или мартеновского металла с более высокими концентрациями серы*. Пока решены далеко не все аспекты проблемы организации рациональной технологии продувки металла порошками, поскольку технология возникла сравнительно недавно.

Роль футеровки ковша и шлака в ковше. При использовании метода продувки порошками роль футеровки ковша и роль шлака в ковле становится особенно заметной. Интенсивное перемешивание металла и шлака ускоряет все процессы, протекающие на границах раздела фаз и делает их влияние особенно заметным. При вдувании порошкообразных материалов в ковш удаление серы происходит как на границе металла со шлаком, так и на поверхности всплывающих частиц вдуваемого материала. Роль шлака в ковше велика: из металла нельзя удалить больше серы, чем ее может поглотить шлак. При наличии основного шлака в ковше, футерованном доломитом, даже только продувка одним аргоном уже приводит к заметному снижению содержания серы. В случае обработки сталей, раскисленных алюминием, использование для футеровки ковшей основных огнеупоров позволяет получить менее окисленный металл.

На 5.16 обращено внимание на роль футеровки ! процессе  обработки  такими  сильными  реагентами,  как калций. При воздействии растворенного в металле кальция (или магния)1 с входящими в состав шамотной футеровки оксидами А12О3 и особенно SiO2) идут реакции типа SiO2(ll,yT) + + 2 Са = 2 (СаО) + "[Si]. При воздействии на металл такими сильными реагентами, как ЩЗМ или РЗМ, кислая или полукислая футеровка ковша может играть роль окислительной фазы и образующиеся оксидные включения остаются в металле, загрязняя его. Кроме того, составляющие кислой футеровки ковша частично переходят в шлак, снижая его основность. Практика показала, что во всех случаях окисленность металла существенным образом влияет на процесс его десульфурации. Особо низкое содержание серы (* 0,005 %) может быть получено лишь в том случае, когда активность кислорода в металле снижена до 0,001.

Применяемые материалы. Наряду с такими кальцийсодержа-Щими соединениями, как силикокальций и карбид кальция для продувки порошками применяют и другие материалы и смеси, в частности магний в смеси с известью или плавиковым шпа-т°м, смесь извести с плавиковым шпатом, а также синтетические жидкие или твердые смеси на основе извести, глино-Зема и плавикового шпата. В зависимости от состава стали 11 Применяемого метода обработки расход смесей колеблется °т 1 до 5 кг/т стали. Высокая степень чистоты стали достигается в том случае, если после выпуска происходит "адьнейшее снижение концентрации кислорода. Поскольку при "лавке стали с невысоким (< 0,15 % С) содержанием углеро-*а  металл  заметно   более ; окислен,  более  чистой оказывается сталь, обработанная магнием или магниисодержащими сплавами (это объясняется более благоприятными условиями удаления глобулярных включений, содержащих магний).

Вдувание СаС2 и силикокальция проявляет равное раскисляющее воздействие: они в равной мере влияют на степень чистоты стали. Однако СаС2 можно использовать для обработки стали, содержащей > 0.2 % С. Для обработки стали с содержанием не более 0,15% С необходимо использовать более дорогостоящий силикокальции.

Расход магния ограничивается высокой турбулентностью движения металла при введении магния в ковш. Использование смеси Mg+Ca позволяет увеличить общий расход материалов и обеспечить получение металла высокой чистоты.

В настоящее время для десульфурации стали продувкой порошками в ковше применяют различные смеси порошков. Чаще всего используют следующие виды материалов: 1) шлакообразующие смеси на основе извести (СаО, CaO-CaF2, СаО—CaF2-Al2O3 и др.) с различным соотношением компонентов; 2) металлические порошки (магний, силикокальции, СаС2, CaCN2, СаС12 и др.); 3) смеси шлакообра-зующих и металлических порошков (СаО + Mg; СаО + силикокальции;   СаО +   CaF2 +   Al;   СаО +   CaF2 +   силикокальции  и др.).

Составы применяемых для обработки металла смесей колеблются в широких пределах. Особую роль в составе смесей выполняет алюминий. Влияние вводимого в состав смеси алюминия проявляется особо в случае использования для футеровки ковшей шамотных материалов. Поскольку в СССР шамотные материалы широко используют также и в случае внепеч-ной обработки стали, с нашим участием были проведены специальные исследования

Опытно-промышленные плавки конструкционных легированных сталей проводили в основных 20-т электродуговых печах. Вдувание порошков в ковш проводили при помоши пневмонагнетателя камерного типа в струе аргона; производительность пневмонагнетателя 55-80 кг/мин. Для продувки металла использовали смеси порошков извести, плавикового шпата,    силикокальция   и    алюминия   с    крупностью   частии£ 2 мм. В качестве фурмы использовали стальную трубу диаметром 1/2", футерованную шамотными или высокоглиноземистыми катушками, которую погружали на 2/3 высоты металла в ковше. Лабораторными экспериментами и на основе анализа литературных данных установлено, что десульфурация протекает наиболее полно, если вдуваемая смесь содержит шлакообразующие и активный десульфуратор - силикокальции. Введение в смесь порошка алюминия обеспечивает необходимый уровень раскисления металла в зоне реакции и повышает де-сульфурирующую способность смеси и степень десульфурации. Был установлен рациональный состав десульфурирующей смеси, включающей 85 % извести, 15 % плавикового шпата (9,5 кг/т), силикокальции (0,3 кг/т) и алюминий (0,2 кг/т).

Алюминий, вводимый вместе с силикокальцием, повышает десульфурирующую роль последнего. Полученные результаты показали, что добавление к порошку силикокальция шлакооб-разующих компонентов должно обеспечить повышение эффективности использования кальция и высокую степень десульфурации при уменьшенном его расходе; дополнительное введение в смесь алюминия способствует повышению эффективности использования десульфурирующих смесей и степени десульфурации.

Для определения рационального расхода алюминия и выявления его роли в процессе десульфурации была проведена серия опьпных плавок, на которых при прочих равных условиях изменяли содержание алюминия в смеси (табл. 5.1) с целью выявления его роли, как регулятора степени окислен-ности металла. При продувке металла кальцийсодержащей смесью пузыри испаряющегося кальция будут всплывать сов-местно с пузырями аргона возле фурмы (5.17, зона 1), В этой зоне будет происходить преимущественное протекание реакции и раскисления и десульфурации кальцием. Поступление кислорода в металл происходит из шлаковой фазы и футеровки в основном через контактирующую с ним зону циркуляции (5.17, зона 2). При продувке металла в ковше кальциисодержащими реагентами наблюдаемые концентрации кислорода определяются соотношением скоростей его поступления-и расходования на окисление вводимых реагентов; при эюм одновременное протекание двух процессов (поступление кислорода через зону 2 и его расходование на окисление реагентов в основном в зоне 1 приводит к существенной неравномерности распределения кислорода, что, в свою очередь, приводит к неравномерному распределению серы по радиусу ковша.

Пробы отбирали с одного уровня ковша сразу после начала продувки. Как видно из данных табл. 5.2, содержание серы в зоне / ниже чем в промежуточной и зоне//.

При продувке металла смесью, включающей алюминий и реакционной зоне, создается локальная область глубоко раскисленного металла. При этом в объеме металла (включая зону всплывания пузырей), удаленного от реакционной зоны, содержание кислорода Может быть существенно выше. Масса вдуваемого в составе смеси алюминия должна быть достаточной не только для глубокого раскисления металла в зоне продувки, но и для "блокировки" реакционной зоны с целью предотвращения диффузии кислорода из объема металла в зону реакции десульфурации (5.17, б). Размеры зоны взаимодействия вводимого в составе смеси алюминия с кислородом будут определяться соотношением скоростей нагрева и плавления его частиц со скоростью циркуляции ванны (в процессе движения частица алюминия нагревается до температуры плавления, плавится и растворяется в металле). Проведенные расчеты показали, что полная продолжительность перехода частицы алюминия радиусом 0,1 и 0,3 мм в расплавленное состояние составляет всего 7,2-10"3 и 13,8 -10~3 с соответственно. Перенос алюминия в объем ме-'алла, удаленного от зон расплавления (растворения), бу-Дет осуществляться при циркуляции металла в процессе про-Дувки. Скорость циркуляции по опубликованным данным может "ыть принята равной ~ 0,09 м/с. Сравнение скорости циркуляции с продолжительностью растворения алюминия показывает, что частица после внедрения в металл успевает смеситься лишь на 0,6-1,3 мм, т.е. процессы нагрева, расплавления и растворения завершаются практически в зоне "Родувки  (зона  I).   Объем  зоны  I   в   зависимости  от   интенсивности продувки составляет 15-20 %. Следовательно, масса металла, находящегося в этой зоне, при общей массе обрабатываемого в нашем случае металла около 20 т составляет 2,85-3,8 т. Вдувание смесей с содержанием в них алюминия 0,2-0,9 кг/т обеспечивает в этой зоне наличие глубоко раскисленного металла, так как фактическое содержание алюминия в зоне может достигнуть 0,1—0,6 %. Обеспечение таким образом блокирования зоны реакции десульфурации при помощи введения в состав смеси алюминия позволяет повысить степень использования кальция до 80—85 %. Таким образом, введение в состав порошкообразных смесей для вдувания в металл в ковше порошкообразного алюминия в количестве * 0,2 кг/т снижает в зоне воздействия газопорошковой струи окисленность металла и обеспечивает тем самым глубокую десульфурацию расплава.

Роль алюминия и шлаковых смесей, вместе с которыми в металл вдувают силикокальций, может быть очень заметна. В отечественной литературе процесс десульфурации стали в ковше при вдувании в металл силикокальция и алюминия совместно со шлакообразующей порошкообразной сместю исследован Н.А.Смирновым, И.А.Магидсоном и Т.А.Исаевым*, которые процесс десульфурации анализируют на основе модели параллельных потоков и представлений о взаимодействии растворенных в металле серы и кислорода с пузырями паров кальция. Принято, что при вдувании в ванну сплавов кальция он должен полностью испаряться с образованием отдельных пузырей практически на глубине, на которой давление его паров равно внешнему давлению.

Эти общие соображения были использованы для оценки доли серы, удаляемой при продувке смесями: 1) шлаком; 2) в результате взаимодействия с парами кальция, Для этого использовали опытные данные, полученные при вдувании различных смесей в 20-т ковш. Рафинирование стали проводили вдуванием в ковш порошкообразных смесей трех типов: 1) только шлакообразующей смеси (85 % извести + 15 % плавикового шпата); 2) с добавлением в смесь 5,5 кг силико-кальция (33,4 % Са); 3) с добавлением сверх юго 3,6 кг порошка алюминия. Общая масса смеси составляла всегда 189 кг.

Расчеты показали, что величины Ми Мг и М изменяются от плавки к плавке в широких пределах; благодаря взаимодействию с инжектированным кальцием из металла удаляются 40-85 % растворенной серы, хотя масса кальция на два порядка меньше массы вдуваемой шлакообразующей смеси. Инжектированный вместе с кальцием алюминий повышает десуль-фурирующую роль первого. В целом М1 тем больше, чем больше [S]u, но данная корреляция выражена слабо. Шлакообра-зующая смесь увеличивает массу и десульфурирующую способность шлаковой фазы. Это приводит к более полной абсорбции серы шлаком, в том числе и образовавшихся по реакции с парами кальция сульфидных частиц, и препятствует процессу ресульфурации, поэтому скорость десульфурации по сравнению с раздельным вдуванием в металл силикокальиия и шлакообразующих порошков выше. Конечное содержание серы в стали также определяется составом и массой формирующегося шлака.

Расчеты,  приведенные  Н.А.Смирновым   с   соавторами; детельствуют об относительно более низкой адсорбции кислорода на поверхности пузырей паров кальция в плавках второй серии. Вместе с тем удаление кислорода из металла в плавках обеих серий практически одинаково (в среднем соответственно 0,65 и 0,60 кг). Таким образом, косвенно подтверждается предположение, что инжектированный вместе с силикокальцием порошкообразный алюминий, быстро растворяясь в металле, взаимодействует с кислородом и блокирует его перенос к поверхности пузырей благодаря формированию вблизи этой поверхности зоны глубоко раскисленного металла. В результате роль кальция как раскислителя уменьшается, но возрастает его участие в реакции десульфурации, благодаря чему быстрее достигается более низкая концентрация серы в металле. В целом расчеты показали, что масса серы, вступившей в реакцию с парами кальция, значительно превышает массу непосредственно абсорбированной шлаком серы. Степень использования инжектированного кальция в реакциях десульфурации и раскисления не менее 50 %.

Специальное исследование, касающееся вклада процессов, происходящих при всплывании, в общем результате процесса десульфурации при вдувании флюса провели на заводе фирмы "Кавасаки сэйтецу" (Япония) [15]. Этот вопрос изучали с использованием термодинамических закономерностей, а также на основе моделирования, выделяя из суммарного результата вклад, вносимый покровным шлаком. После выплавки в конвертере сталь во время выпуска раскисляли алюминием и кремнием и наводили в 150-т ковше основной шлак. Металл в ковше продували флюсом СаО + (15-50 %) CaF2 с расходом «-90 кг/мин в потоке аргона (2,3 м3/мин) в течение 8-9 мин, отбирая пробы металла и шлака с интервалом в 1-2 мин. В пробах затем изучали шлаковые включения при помоШи микроанализатора ЕРМА. Сравнительные плавки провели без продувки (с подачей на поверхность металла флюса СаО + CaF2). Установили, что вклад реакций, идущих во 8Ремя всплывания частиц, в общий эффект реакции десульфу-Рации составляет 46 %.