Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Известно, что во многих случаях достаточно удовлетворительных результатов по десульфурации достигают не вдуванием порошков, а более простым способом: введением порошкообразных смесей сверху на струю металла. Так, в конвертерном цехе МКАз для снижения содержания серы во время выпуска применяют твердую шлакообразующую смесь извести и плавикового шпата, которую приготавливают в отделении сыпучих материалов на транспортерной ленте выгрузки с дозированием материалов из приемных бункеров. Смесь с транспортерной ленты подают в расходные бункеры, расположенные над конвертерами, из которых она по системе течек и промежуточных бункеров поступает в сталеразливочный ковш. Из многих опробованных вариантов присадки смеси в ковш наиболее эффективным оказалось введение смеси на первой минуте выпуска под струю металла с предварительной присадкой под струю вторичного алюминия. При расходе смеси от 3,0 до 7,5 кг/т степень десульфурации углеродистой стали составляет 18 %, низколегированной - 24 %. Относительно низкая степень десульфурации объясняется тем, что сера удаляется из высокоокисленного низкоуглеродистого (0,05-0,06 % С) полупродукта без отсечки конвертерного шлака, содержащего до 18% FeO. Смеси на основе извести и плавикового шпата используют на многих заводах. Такой метод введения порошкообразных материалов по эффективности их использования существенно уступает методу вдувания Использование этого метода целесообразно лишь в том случае, когда отсутствует оборудование для введения матерйа' лов непосредственно в глубь металлической ванны (или Рас" плавления и использования в жидком виде).

Метод "выстреливания". Работа с таким активным компонентом, как порошкообразный кальций, требуют особого внимания к вопросам техники безопасности. Менее опасно иС пользование   технологии,  которая  заключается   в   выстрелива' в металл, находящийся в ковше, при помощи автоматического устройства "пуль", изготовленных из сплавов, содержащих кальций (5.24). Разработавшая этот способ японская фирма назвала его процессом SCAT (System of Calcium Adding Technique - способ введения кальция). Таким способом обрабатывают стали, предназначенные, в частности, для получения ipy6 большого диаметра, работающих в условиях низких температур, или морских буровых платформ. Полученная этим методом сталь обладает высокими свойствами не только в отношении предела прочности на растяжение; ко также и воздействия низких температур, свариваемости, однородности и т.д. Вводится обычно 180-200 г чистого кальция на 1т стали. Технология SCAT-процесса включает следующие стадии: 1) расплавление и легирование металла одновременно с вакуум-шлаковой обработкой и продувкой инертным газом; 2) выстреливание "пуль" в ковш;. 3) перемешивание жидкой стали; 4) разливка с изоляцией ируи металла и продувкой стакана газом во избежание его затягивания. Обработка металла кальцием SCAT-методом позволяет уменьшить вредное влияние серы; при оптимальных расходах кальция анизотропия прокатанного металла (в лис-ie) полностью исчезает и отношение ударной вязкости образцов, вырезанных по ширине листа, к ударной вязкости образцов по длине листа становится близким к 1. Даже у образцов, вырезанных по толщине листа, свойства заметно Улучшаются.  Улучшение свойств металла  объясняется как изменением формы, расположения и состава неметаллических включений, так и существенным снижением сегрегации примесей. Высокие качества металла обеспечиваются не только способом раскисления, но комплексом обработки, включая продувку инертным газом, в необходимых случаях вакуумиро-ванием, тем, что разливка проводится с изоляцией струи металла и т.д. Одновременно с рассмотренным методом ведется разработка метода введения в металл алюминия путем выстреливания. Метод был назван ABS (Al Bullet Shooting, т.е. метод выстреливания алюминиевыми пулями). В случае раскисления алюминием металла в большегрузных ковшах (* 200 т), когда требуются большие расходы алюминия, вводимого в ковш, используется пневматический пулемет, стреляющий пулями длиной 450 мм, диаметром 31мм и массой 0,8 кг; скорострельность - 800 пуль в минуту. Вопрос выбора раскислителя (кальций или алюминий), который вводят методом выстреливания, решается в каждом конкретном случае в зависимости от марки стали и предъявляемых требований к ее качеству (часто используют алюминиевые пули с наполнением кальцием). Трудно предсказать, насколько широкое распространение получит метод выстреливания, требующий сравнительно сложного оборудования. Возможно, более перспективным окажется метод ввода в металл сильных раскислителей или раскисляющих смесей (в виде порошка), помещенных в стальную оболочку в виде проволоки.

Введение материалов в виде проволоки. С середины 1980-х годов <• в ряде промышленно развитых стран получил широкое распространение новый способ введения в жидкую сталь смесей и сплавов в виде порошка, спрессованного в стальную трубчатую оболочку. Такую проволоку (Cored wire - англ) вводят в металл, находящийся в ковше, в промежуточном ковше,, в кристаллизаторе или изложнице, при доводке в установках типа ковш-печь и т.п. с заданными скоростью й расходом материала. Отмечаются следующие преимущества этого способа: точность микролегирования, высокая степень усвоения добавок и воспроизводимости результатов; маль» тепловые потери, не требующие перегрева металла; практи ческое отсутствие поглощения азота или кислорода при в дении добавок, возможность управления составом неметаллу ческих включений, экологичность процесса, экономичность простота механизации и автоматизации процесса, невысок капитальные затраты. Хотя легирующая проволока дороже вводимых сплавов в кусках или порошке, дополнительные расходы на ее изготовление компенсируются более высокой степенью усвоения легирующих и снижением брака [21]. Проволоку (ее часто называют наполненной проволокой) используют для ввода высокоактивных элементов с высоким химическим сродством к кислороду (кальций, магний, церий, цирконий, алюминий, титан, кремний, ниобий), легких с невысокой плотностью (кальций, магний, углерод, бор, кремний, сера, селен), с высоким давлением насыщенного пара (магний, кальций, селен, теллур), с низкой растворимостью в стали (свинец, кальций, магний). Наиболее широко проволоку используют для ввода алюминия при раскислении углеродистой стали, для ввода ферротитана при производстве кор-розионностойких сталей (0,3-0,4% Ti для стабилизации) и для модификации неметаллических включений (проволоку с сшшкокальцием) [32]. По сообщениям многих исследователей применение обработки жидкой стали проволокой с сердечником из силикокальция или смеси чистых кальция и алюминия позволило преобразовывать твердые скопления глинозема в низкоплавкие круглые включения алюминатов кальция. Рекомендуемое соотношение Са/Al при этом должно быть до 0,13. В отличие от ковшовых добавок кускового и порошкообразного силикокальция, для которых характерно низкое усвоение кальция и пониженная жидкотекучесть стали, применение проволоки обеспечивает повышение усвоения кальция и жид-котекучести стали. Замена силикокальция смесью (или спла-вом) Са + AI позволяет решать проблемы в случае производства сталей с пониженной концентрацией кремния. Так, на "Редприятии "Dillinger Hutten werke" (ФРГ) использование "орошка сплава Са + Al, запрессованного в металлическую Волочку в виде проволоки, позволило не только избежать Опасности затягивания каналов разливочных стаканов, но и %чшить качество поверхности непрерывнолитых заготовок "Ри снижении содержания кремния в металле [23].

В СССР на МКАз опробована внепечная обработка металла *альцийсодержащими материалами, вводимыми в виде ленты*. '6Кту  получали  формированием  стальной  холоднокатаной  полосы из стали 08кп; в качестве наполнителя использовали порошкообразные силикокальций, плавиковый шпат, лигатуры с РЗМ на железокремниевой основе, губчатый титан. Масса ленты зависела от плотности наполнителя. Для ввода ленты в металл при непрерывной разливке было создано специальное устройство, конструкция которого обеспечивает одновременную подачу ленты с двух катушек, их быструю замену и заправку концов ленты в тянущие клети. Для проверки эффективности микролегирования металла кальцием на серии опытных плавок стали 09Г2ФБ после обработки синтетическим шлаком в ковше с кислой футеровкой и продувки аргоном вводили ленту под одним из стопоров с промежуточного ковша. Расход силикокальция составлял 0,6—0,7 кг/т стали. Содержание серы в стали в процессе обработки практически не изменялось (0,007—0,005%). Обработка кальцийсодержа-щей лентой оказала положительное влияние на морфологию неметаллических включений, в первую очередь, сульфидных. В металле, не обработанном кальцием, основным типом сульфидных включений являются пластичные сульфиды марганца, сосредоточенные в основном в осевой зоне листа, кислородные включения представляли собой корунд и хрупкоразрушен-ные включения, в состав которых входят алюминий и кремний. В результате обработки металла кальцийсодержащей лентой происходит трансформация кислородных и сульфидных включений. Основным видом неметаллических включений в таком металле были кислородные включения глобулярной или неправильной формы типа шСаО-пА12О3, которые часто имели оболочку из сульфидной фазы (Са, Mn)S; были и нитриды титана с выделившимся из них сульфидом (Са, Mn)S.

Обработка металла путем ввода ленты, содержащей силикокальций или смесь порошкообразных РЗМ и силикокальчия, позволяет повысить ударную вязкость на 10 %, что эквивалентно снижению металлоемкости изделий машиностроения на 3%. За рубежом стандартную проволоку производит ряд спе" анализированных фирм. Так, например в Западной Европе, проволоку с сердцевиной из порошкообразных сплавов си«ем Ca-Si и Са—Si-Ba диаметром 11-12 мм для введения в ковш вместимостью 25-150 т и 5-6 мм для небольших ковшей промежуточных ковшей УНРС производит фирма "Bozel (Arbe Mines" (Люксембург). Порошок сплава  заключен в многослойную оболочку: наружная— стальной лист толщиной 0,2-0,5мм, внутренняя- стальная фольга 0,2мм или пластик 0,025—0,075 мм; 1 м проволоки в зависимости от диаметра содержит 20—140 г порошка при общей массе вместе с оболочкой 70-300 г. Проволоку поставляют на стальных или деревянных барабанах, самый большой из которых содержит 400—500 кг порошка при общей массе проволоки 850—950 кг. Для ввода в ковш 12-мм проволоки со скоростью 120-200 м/мин или порошка 15—25 кг/мин применяют барабанные питатели двух типов: для вертикального ввода проволоки в ковш, расположенный под питателем и в стороне от него. Продолжительность обработки 6-10 мин, расход сплава Са—Si или Са—Si—Ва 1,3 кг/т. Для ввода проволоки диаметром 5-6 мм в малые ковши в течение 4-6 мин со скоростью 1,2-1,5 м/мин и промежуточные ковши в течение 50-60 мин со скоростью 0,25 м/мин применяют более простой роликовый питатель, обеспечивающий подачу сплава порошка Са—Si (1,3 кг/т) в количестве 0,2-2,0 кг/мин. При обработке стали кальцийсодержащей проволокой отсутствуют большие выделения дыма и выбросы, концентрация кислорода в стали снижается от 20-10"" до 5-10"" %, обеспечивается высокая степень усвоения кальция, степень десульфурации в ковше достигает 30-40%, в мелкозернистой углеродистой и легированной стали происходит модификация и удаление строчек глинозема, глобулей сульфидов и силикатов, достигается высокая изотропия механических свойств даже при концентрации 0,03 % S. В результате высокой жидкотекучести ликвидируется затягивание стаканов в промежуточном ковше УНРС при концентрации в стали 0,015% А1. Дополнительно, в результате обработки стали в ковше проволокой, двухшла-ковый процесс в электродуговой печи заменен одношлаковым, 30 мин.

В качестве характерного примера использования проволоки можно привести опыт финского завода "Rautaraufcki Oy Raahe Steel", в конвертерном цехе которого имеется участок ввода проволоки, способный вводить шесть типов проволоки (два одновременно). Участок расположен на пути ста-леразливочных ковшей из конвертерного отделения в отделение непрерывной разливки. С одной стороны ковша установлены два трехручьевых трайбагшарата для ввода проволоки Диаметром   13 мм   (со стальной    оболочкой   0,4 мм),   содержашей углерод, марганец, кремний, ниобий, титан и бор со средней скоростью 90-100 м/мин и продолжительностью плавления 2,75—3,5с, а с другой стороны- один трайбаппарат для ввода алюминиевой проволоки. Технология отрабатывалась в 1985—1988 гг. Опыт показал, что применение только одной проволоки для легирования очень дорого, поэтому основное легирование проводят кусковыми ферросплавами при выпуске стали из конвертера в ковш, а проволокой проводят только корректировку химического состава [24].

Примером тому, как технологию применения проволоки используют как одно из звеньев технологии получения особо-чистых сталей, может служить опыт завода "Vallourec Saint Saulve" (Франция). На 5.25 показаны первоначальная (5.25, А) и усовершенствованная (5.25, Б) схемы организации внепечной обработки стали, выплавляемой в 85-т электропечах с эркерным выпуском и оставлением 10—15 т жидкого   металла   в   печи.   Первоначальная   технология —   выпуск с отсечкой шлака, введение раскислителей (ферросилиций + А1) И извести в ковш, продувка аргоном, подогрев в ковше (6°С/мин) с одновременной десульфурацией за счет перемешивания стали с основным шлаком, ввод проволоки с силикокальцием, присадка в ковш порошка магнезита для снижения потерь тепла. По усовершенствованной технологии проводят интенсивное перемешивание аргона после выпуска, раньше вводят проволоку и снова подогревают при длительном перемешивании (* 25 мин) для удаления жидких алюминатов кальция и десульфурации, причем все время обработки в ковше поддерживают основной, раскисленный и жидкоподвиж-ный шлак. В результате при высоком качестве металла расход кальция снижен на . 20 %, стойкость футеровки ковша увеличена до 60 плавок [25].

Все большее распространение получают методы введения в металл проволоки, наполненной чистым кальцием. На IV Международной конференции по инжекционной металлургии в 1986 г. были приведены данные о некоторых результатах внедрения такой технологии введения чистого кальция в металл, находящийся в ковшах большой вместимости (США) [26]. Процесс введения кальциевой проволоки осуществляется через керамическую фурму с продувкой аргоном и на большую глубину. Такая технология увеличивает эффективность и воспроизводимость усвоения кальция и значительно снижает степень взаимодействия металлической ванны с атмосферой. В 1985 г. в США было произведено этим способом обработки 1 млн.т стали. Проволока диаметром 8 мм состоит из чистого кальция в середине, покрытого оболочкой низкоуглеродистой стали, проволока содержит 0,06 кг Са/т. В процессе обработки стали огнеупорная фурма погружается в ванну примерно на 2 мм ниже поверхности. Через фурму вводят аргон, который создает рециркуляционный характер перемешивания жидкой ванны. Затем через ту же фурму вводят наполненную кальцием проволоку. Скорость ввода проволоки может изменяться в пределах 30,5—305 м/мин. Расплавление оболочки и взаимодействие расплава с кальцием происходит  примерно  через  1с.  За  это  время проволока   может пройти расстояние в зависимости от скорости введения 0,51 до 5,1м (5.26). Идеальным является механизм когда взаимодействие кальция с расплавом происходит в ласти циркуляции жидкого металла на нисходящей ветви. Ди намика процесса при введении кальция в виде проволоки от личается от порошковой инжекции. Исследования показывают, что при вдувании порошка его частицы теряют момент движения сразу, как только они покидают газовую струю и успех инжекции сильно зависит от отношения скоростей твердых частиц и газа. Новая технология была оценена на плавках в 275-т конвертерах низкоуглеродистой (0,05% С) раскисленной алюминием стали для глубокой вытяжки. При расходе 0,2 кг/т Са было получено во всех слитках 0,003% Са, даже если в шлаке содержалось >10% FeO. При обработке ме-. талла из 200-т дуговой печи содержание серы снижается с 0,017 до 0,004 %. Одновременно происходит снижение содержания кислорода с 0,0005 % до менее 0,0001 %, при этом количество включений снижается за счет флотации в процессе обработки соединений типа СаО-А12О3. Анализ изменения температуры на сотнях плавок с обработкой кальцием по данной технологии показал, что среднее падение ее значительно (примерно на 15 °С) ниже, чем при инжекдии порошка силикокальция. Увеличение содержания азота в процессе обработки по новой технологии оказалось на 40 % меньше, чем при обработке вдуванием порошкообразных материалов. Таким образом, использование наполненной кальцием проволоки, становится одним из звеньев технологии, обеспечивающей высокую степень рафинирования стали.

 В ряде стран, в том числе в СССР, широкое распространение получила практика раскисления стали алюминиевой проволокой, в этом направлении проведены многочисленные исследования. Установлено, в    частности,    что    условия ввода

гакои проволоки изменяются в зависимости от скорости ввода, степени перегрева металла и др. Так, при вводе алюминиевой проволоки диаметром 15 мм со скоростью 0,03 м/с при перегреве металла 80 К на ней намораживается слой стали, который затем расплавляется; введение проволоки при скоростях ввода свыше 4 м/с затруднительно, так как она начинает "выпрыгивать" из ковша [27]. Методы ввода алюминиевой проволоки широко используют совместно с методом ввода кальциисодержащеи проволоки. На ряде предприятий практикуется технология, когда в ковш после выпуска загружают известь и плавиковый шпат, после чего (иногда после вакуумной обработки) металл раскисляют вводом алюминиевой проволоки для достижения определенного уровня содержания кислорода, а уже затем начинают вводить проволоку, наполненную кальцийсодержащими реагентами. Обработка завершается обычно продувкой металла аргоном.

Наличие в цехе устройств для подачи в металл алюминиевой проволоки позволяет проводить вне печи операцию подогрева стали окислением алюминия струей кислорода. В качестве примера приведем опыт завода Steelton Plant (США), в сталеплавильном цехе которого имеются устройства для подачи в ковш алюминиевой проволоки, аргона и кислорода для продувки через фурмы сверху металла в ковше. Опыт показал, что при продувке 140-т плавок рельсовой стали в течение 3—б мин при расходе 0,4—1,6 м2 О2/т и одновременной подаче алюминиевой проволоки скорость подъема температуры металла колеблется в пределах 3,9-8,3 °С/мин; при этом отмечено повышение производительности при снижении отбраковки готовых рельсов [38].

Использование утапливаемых блоков. Для снижения угара и повышения эффективности использования таких легкоплавких или легкоиспаряющихся элементов, как алюминий, кальций, магний и др. определенное распространение имеет практика введения их в глубь металла (утапливание) в виде блоков (обычно при помощи крана, на футерованной штанге). Кальций, например, вводят в виде заключенного в тонкий стальной кожух блока цилиндрической формы, состоящего из Железа и кальция. Блок крепится на защищенной футеровкой Штанге. Соотношение между содержанием железа и кальция в блоке  подбирают таким,  чтобы  обеспечить  постепенное  взаимодействие кальция, снижение его потерь, а также дымо-пламеобразования. Для повышения степени усвоения кальция и упрощения технологии его ввода в жидкий металл предлагается также использование железо-кальциевых блоков (~ 20 % Са), которые погружаются в нижние горизонты ков ша, где повышенное ферростатическое давление подавляет испарение кальция. Блоки выполняют в форме полого цилиндра и надевают на огнеупорный стержень, при помощи которого их вводят в ковш. При указанном способе ввода кальция не происходит снижения температуры расплава, наблюдается меньшее его загрязнение неметаллическими включениями и не требуется использования газа для перемешивания ванны. Для введения погружаемых кальцийсодержащих блоков требуется сравнительно простое оборудование. Еще более простым является способ погружения в металл алюминиевых блоков (чушек). Этот способ получил достаточно широкое распространение в СССР. ИЧМ и МКАз предложили и внедрили способ ввода в металл алюминиевых слитков массой 350-450 кг на установках, размещенных на рабочей площадке конвертерного отделения над сталевозами. Алюминиевый слиток погружают в сталь через 1-2 мин по окончании выпуска плавки из 350-т конвертера в ковш на глубину ~ 2 м. После расплавления слитка для усреднения состава металл продувают в течение 5 мин нейтральным газом. Использование алюминия в виде слитков массой 350—450 кг по сравнению с обычной технологией позволяет повысить усвоение алюминия на плавках без додувок и с додувками соответственно на 15 и 10 %. Присадка по ходу выпуска плавки извести повышает усвоение алюминия из слитков на 3,5%, использование синтетического шлака на 9 %. При использовании алюминиевых слитков отмечено некоторое снижение загрязненности стали неметаллическими включениями; уровень и дисперсия механических свойств проката не изменяются [28].

Раскисление стали с использованием алюминиевых слитков способствует уменьшению расхода алюминия на 1 кг/т [28]-Сравнительно простой способ обработки стали кальцийсодер' жащими реагентами успешно опробован на заводе в Терни (Италия) [29]. Силикокальций (20-30% Са, 0,1-0,3% Mg) s смеси с инертными материалами вводят в 180-т ковш на глубину до 3,8 м посредством короба или специальной полой корзины, подвешенной на металлическом тросе. Реагент ладывается в корзину послойно с разделением слоями инертного вещества, что обеспечивает взаимодействие силико-кальция с металлом через определенные интервалы времени в зависимости от геометрии корзины, глубины ее погружения, состава реагентов и т.д. Например, для корзины размером 750x750x750 мм (2,7-3,0 кг реагента на 1т стали) продолжительность реакции - 2-3 мин, для корзины размером 1000x1000x750 мм (4,8 кг реагента на 1т стали) продолжи-1ельность реакции — до 10 мин. Технология предусматривает продувку стали аргоном после завершения реакций с реаген-1ами. В результате такой обработки содержание серы снижается с 0,010-0,016 до «0,004 %. Эта технология была использована для улучшения магнитных свойств кремнистой стали (0,03 % С; 3 % Si; 0,4 % Al) с неориентированной структурой, разливаемой на УНРС.