Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

В процессе внепечной обработки стали происходит охлаждение металла, что ограничивает продолжительность обработки. Компенсация тепловых потерь осуществляется различными способами. В этом плане, агрегаты, используемые для вне-печной обработки стали, условно можно разделить на несколько групп: 1)без дополнительного подогрева или подачи тепла в процессе обработки (установки для обработки вакуумом различными методами, для введения в металл реагентов в виде порошка, проволоки, блоков, установки типа накрытого крышкой ковша при продувке металла инертным газом); 2) подвод тепла осуществляется в результате окисления железа и примесей при продувке кислородом (конвертеры типа AOD, VODC, RH-OB, RHO и др. рассмотрены выше); 3) с электрическим подогревом.

Наиболее распространенными в настоящее время способами, позволяющими подогревать металл в процессе обработки, .является ASEA-SKF-процесс возникший в Швеции в 1964 г., и более простой Finkl'-процесс, появившийся несколько позже в США. Первый метод представляет собой способ обработки металла, при котором помимо индукционного перемешивания металл сверху подогревается электрическими дугами (7.1). В таком агрегате металл может выдерживаться под вакуумом длительное время (до 2 ч), что обеспечивает высокую степень рафинирования его от вредных примесей. В некоторых случаях на  поверхность перемешиваемого  под воздействием индуктора металла вводят также некоторое количество шлакообразующих. Способ сложен и дорогостоящ, однако высокое качество металла компенсирует затраты и данный способ получил достаточно широкое распространение.

Имеются сообщения, в которых дана сравнительная оценка технико-экономических показателей и характеристик качества стали, выплавленной с применением ASEA-SKF (0,0009% О2 и 0,005% S) и методом ЭПШ (0,0014% Ог и 0,004% S). При этом делается вывод в пользу стали, рафинированной на установке ASEA-SKF, из-за более низкой стоимости по сравнению со сталью ЭШП при, по меньшей мере, одинаковых показателях долговечности подшипников. В СССР установки типа ASEA-SKF работают в сталеплавильных цехах некоторых заводов тяжелого и энергетического машиностроения, где отливают крупные слитки для изготовления роторов турбин электростанций и т.п. ответственных изделий. Если в методе ASEA—SKF используется индукционное перемешивание, то в Finkl-процессе перемешивание осуществляется более простым способом — продувкой аргоном, при этом ковш находится в стационарном положении, что упрощает обработку металла при производстве его в больших количествах. Установки типа ASEA-SKF— это уже не просто ковши, а металлургические агрегаты, в которых проводят определенные металлургические операции, процесс становится по существу дуплекс-процессом: печь (или конвертер) - вторичный агрегат.

Постепенно в мировой практике получает распространение процесс, названный процессом ковш- печь (по наименованиям слоев на английском языке в зарубежной литературе процесс получил название LF-процесс. Процесс включает перемешивание продувкой металла аргоном в ковше, Дуговой подогрев и обработку металла синтетическим шлаком в процессе его перемешивания аргоном. Процесс обеспечивает не только получение заданного химического состава и температуры металла, но и снижение количества неметаллических включений в результате удаления серы и кислорода, что привело к значительному улучшению механических свойств. Такой агрегат может устанавливаться в любом сталеплавильном цехе.

Типичная конструкция установки LF (печь - ковш) показана на 7.2. В ковше наводится рафинировочный шлак и в него сверху опускают электроды системы электродугового нагрева таким образом, чтобы обеспечить достаточную эффективную теплопередачу и одновременно защитить огнеупоры ковша от дуги. При этом остаточные оксиды железа в шлаке восстанавливаются графитовыми электродами. В результате получают "улырачистую" сталь с низким содержанием серы.

На 73 показан вариант установки типа ковш- печь, предусматривающий возможность перемеишвания металла аргоном под слоем синтетического шлака, вдувание порошкообразных реагентов и подогрев расплава одновременно. Примером комбинированного процесса с обработкой металла и вакуумом, и продувкой аргоном и синтетическими шлаковыми смесями может служить VAD -процесс [2].

Агрегат состоит (7.4) из камеры, установленной на самодвижущейся тележке, и вакуумного трубопровода в стационарном своде (а не в корпусе камеры). Технология проведения операции следующая: 1) помещение ковша в VAD-камеру и продувка аргоном в течение Змин (без вакуума); 2) отбор пробы металла на химический анализ и перемещение камеры с ковшом на участок скачивания шлака (содержащего   FeO  и  Р2О5);   перемещение   камеры  с  ковшом  к VAD-устройству, накрьгвание сводом и вакуумирование с подогревом (или без подогрева); подогрев осуществляется при помощи электродов, опускаемых через свод; 3) одновременно с вакуумированием наводится присадкой CaO, CaF2 и алюминия новый шлак и продолжается продувка аргоном; 4) после 20-25 мин такой обработки под вакуумом производится корректировка химического состава и температуры (электроподогревом); 5) после получения требуемых результатов вакуумирование прекращается и камера с ковшом транспортируется на разливочную площадку.

В тех случаях, когда требуется получать < 0,004 % S, в металл дополнительно вдувается порошок СаС2 или силико-кальция. Фурма погружается на глубину 2,5 м, продолжительность вдувания 15 мин, содержание серы до окончания процесса вдувания 0,001%. Фурму для вдувания изготавливают из цельнотянутой трубы с нанизанными на нее катушками из огнеупорного материала, содержащего 60 % А12О3, навинчивающейся пробки (80 % А1гО3) и вставки на месте выхода струи (95 % А12О3). Стойкость фурмы 15 мин (одна продувка). Получаемая сталь может быть предназначена для изготовления крупных емкостей для сжиженного газа, арктических трубопроводов, буровых морских платформ, атомных электростанций, специальных установок химической и нефтехимической промышленности.

Подробное исследование технологии обработки по способу VAD проведено на заводе фирмы "Nippon Kokan" [3]. На заводе имеется 50-т установка VAD; металл на установку поступает с 50-т дуговой печи или из 250-т кислородного конвертера, в последнем случае берется порция 50 т. Легирующие элементы и флюсы присаживаются в ковш под вакуумом, металл продувают аргоном через пористую пробку. Полный цикл обработки стали в установке длится 140 мин, из них первые 80 мин — подогрев металла с 1540 до 1640 °С при давлении 26,6кПа, затем 40мин- снова подогрев и доведение температуры металла до 1600 °С. Для десульфураиии стали использованы шлаки, содержащие при пересчете компонентов на квазитройную систему 50-70 % СаО, 20—35 % А12О3 и 10 % SiO2. По результатам испытаний наибольший коэффициент распределения (S)/[S], превышающий 600, был достигнут в области существования в жидкой фазе и извести и трисиликата кальция. Переход шлака как в области большего количества твердой фазы извести при наличии трисиликата кальция в шлаковом расплаве, так и полностью в область жидкого состояния снижает скорость десульфурации и коэффициент распределения серы. Перед обработкой из ковша скачивали печной шлак, поэтому суммарное содержание оксидов железа и марганца в шлаке для десульфурации не превышало 1 %. Оптимальный состав шлака близок к 60 % СаО, 10% SiO2 и 30% А12О3. ЭТО подтверждено лабораторными экспериментами и расчетом. В качестве основы для расчетов десульфурации металла, раскисленного алюминием, принята реакция: 3(СаО)+ 2[Al]+ 3 [S] = 3(CaS)+ AI2O3.

Помимо установок LF с дуговым подогревом разрабатываются установки с использованием методов индукционного нагрева (и перемешивания). В качестве примера на 7.5 показана схема агрегата, разработанного SCRATA* (ЮАР). Процесс назван LMR* . По сообщениям [4] процесс особенно удобен для получения сравнительно небольших порций легированных (например, 13 % Сг и 4 % Ni) сталей, где требуется гарантированно низкое содержание примесей. Необходимо упомянуть и о попытках использовать в процессе вне-печной обработки и такой традиционный способ нагрева, как юпливные горелки. Так, на заводе "Holmstad" (Швеция) с 1986 г. работает 50-т печь—ковш с двумя топливно-кислородными горелками мощностью по 5 МВт, в которой обрабатываются  плавки  из  50-т  дуговой  печи.  В  процессе   обработки металл продувается инертным газом. Горелки установлены в крышке ковша. Типичный период нагрева продолжается 12 мин и за это время температура металла повышается примерно на 15°С со средней скоростью 0,95°С/мин при подводимой мощности 80 кВт/т. Общее количество подводимой энергии 800 кВт-ч, усвоенной— 280 кВт-ч, что соответствует среднему к.п.д. 35 %. К.п.д. изменяется в процессе нагрева с 20 до 45 %. Возможно снижение температуры выпуска стали из дуговой печи и уменьшение при этом расхода энергии в дуговой печи примерно на 50 кВт -ч/т (при расходе энерги в установке печь—ковш 25—30 кВт -ч/т) [5].

В настоящее время среди металлургов имеются сторонники внепечной металлургии и с использованием установок типа ковш—печь и инжекдионной металлургии. И тот и другой метод имеют свои преимущества и недостатки. Например, для установок печь-ковш металл в печи можно нагревать до оптимальной температуры и в результате этого уменьшить продолжительность плавки в основном агрегате и снизить расход огнеупоров и энергии. При использовании инжекционной металлургии требуется перегрев металла в плавильном агрегате, но можно быстро и эффективно вести процессы десуль-фурации, легирования и раскисления с очень высокой степенью усвоения добавляемых элементов. Как видно из приведенных примеров, активно разрабатываются технологии, представляющие собой сочетание обоих методов. Разрабатываются также системы, предусматривающие использование двух ковшей: в установке печь—ковш и для инжекции порошкообразных реагентов. При этом считают, что такие системы более гибкие и позволяют получать высококачественную сталь с низким расходом электроэнергии и огнеупоров.

Многие чисто технологические приемы работы на агрегатах типа ковш—печь находятся еще в стадии отработки. Так, например, явление вспенивания шлака при внепечной обработке в агрегатах ковш-печь позволяет (так же, как и в электропечи) защитить футеровку ковша и свода от радиационного воздействия дуг и снизить уровень шума в пролете. Поскольку при внепечной обработке окисленность шлака значительно ниже, чем в печи, эффект пенообразования (например, от взаимодействия присадок графита со шлаком) не получает  развития  и  для   достижения   заметного   газовыделения иногда применяют чистые мелкие фракции СаСО3 в смеси с частичками графита (до 10%). Практика использования пенообразующих добавок складывается из учета ограничения попадания печного шлака при выпуске в ковш, наведении в ковше основного шлака добавками СаО (а также по мере необходимости боксита, кремнезема и плавикового шпата), чтобы после короткого периода нагрева в ковше—печи получить шлак, содержащий 55-60 % СаО; 16-24 % SiO2; 8-12 % Al2O3; MgO 8-12%; CaFj до 3 % (FeO + MnO). Суммарный расход шлакообразующих составляет 6—10 кг/т. После этого в ходе рафинирования и нагрева металла в шлак вводят диа-мидную известь с расходом до 1 кг/т. При необходимости улучшения условий пенообразования присадку этой извести повторяют. При таком сиособе обработки отмечено снижение содержания водорода и глубокое раскисление в результате снижения содержания в шлаке оксидов железа и марганца. Установки типа ковш—печь широко применяют также в качестве миксеров для накопления стали при изготовлении особо крупных слитков и отливок. В этих случаях также разрабатывается специальная технология.

Производительность современных установок ковш—печь достаточно высока. Так, в конце 1985 г. одной из компаний ФРГ пущены в Западной Европе в эксплуатацию 50- и 110-т установки ковш—печь. Основные показатели установок (соответственно для 50-т и 110-т): число обрабатываемых плавок в сутки — 14 и 20; продолжительность обработки 37 и 35 мин; расход электроэнергии 35 и 33 кВт • ч/т; расход электродов - 0,35 и 0,23 кг/т; максимальная скорость нагрева - 6 и 4 °С/мин; расход газа для продувки - 0,5 и 0,25 м3/т; расход огнеупоров - 3,3 и 3,9 кг/т; стойкость продувочной фурмы— 10 и 4 плавок [б].