Обработка металла

Внепечная обработка чугуна и стали

Раздел:  Строительство. Ремонт

Поскольку металлолом становится основной составляющей металлошихты, содержание в металле примесей цветных металлов, которые переходят в металл из шихты, возрастает. Это обстоятельство приходится учитывать. Во многих случаях, особенно при производстве качественных конструкционных марок, наличие даже сотых и тысячных долей процента нежелательных примесей цветных металлов заметно ухудшает свойства. Низкие температуры плавления и склонность ряда примесей к ликвации усугубляют эти неприятные последствия. Проблема удаления меди, олова, мышьяка, сурьмы и Других примесей цветных металлов в обычных условиях пока не решена.

Внепечная обработка позволила с успехом решать многие проблемы рафинирования стали от' газов, неметаллических включений, серы и фосфора. Имеются ли перспективы использования методов внепечной обработки для рафинирования стали   от   примесей   цветных   металлов?   В   сталеплавильных процессах газовая фаза имеет окислительный характер. По химическому сродству к кислороду примеси цветных металлов можно расположить в следующий ряд: Bi, Cu, Pb, Sb, Ni, Со, W, Sn, Mo, Fe, Zn, Cr, Mn, V, Si, Ti, B, Zr, Al, Mg, Ca. Все элементы, размещенные справа от железа, в процессе плавки стали окисляются. В зависимости от химического сродства к кислороду и температуры испарения элементы-примеси цветных металлов, могут быть разделены на следующие группы:

1.         Обладающие высоким химическим сродством к кислороду

и окисляющиеся до следов в первые периоды плавки (крем

ний, алюминий, титан, цирконий, бор, ванадий).

2.         Химическое   сродство   которых   к   кислороду   близко   к

таковому  для  железа,  и распределяющиеся между шлаком и

металлом в зависимости  от  активности их оксидов  в шлаке

(марганец, хром).

3.         Имеющие   химическое   сродство   к   кислороду   меньшее,

чем железо и почти полностью остающиеся в стали в раство

ренном   состоянии   (медь,   никель,   олово,   молибден,   кобальт,

вольфрам,   мышьяк,   сурьма);   рафинирование   стали   от   этих

элементов затруднительно.

4.         Удаляющиеся   из   шлака   и   металла   вследствие   своей

легкоплавкости   и  летучести  (цинк,   свинец).   Цинк   (темпера

тура   плавления   419,5°С,   кипения   906 °С)   во   время   плавле

ния  шихты  улетучивается,  окисляется  и  удаляется  с  отходя

щими  газами,   оксид  цинка   встречаясь   со   сравнительно  хо

лодными поверхностями,  на  них  конденсируется.  В  результа

те, при переработке цинксодержащей шихты (например, паке

тов  из  кровельного  железа,  бытовых  отходов  и  т.п.)  на  по

верхности  насадок   регенераторов   и  в   боровах  мартеновских

печей,   на   трубках   котлов-утилизаторов   конвертеров   и   т.п.

откладывается     оксид     цинка,     в     результате     снижается

стойкость   и   футеровки  и   оборудования.  В   качестве  выхода

из положения можно предложить только одно решение: пред

варительную высокотемпературную обработку цинксодержаших

отходов  с  одновременным     удалением      цинка.   Свинец (тем

пературы   плавления   327,4 °С,   кипения   1750 °С)   или   улету

чивается   из   агрегата   при   воздействии   высоких   температур!

что   вредно   для   здоровья   обслуживающего   персонала,   или

быстро   расплавляется,   сбегает   вниз   и,   обладая   при   повышейных температурах высокой жидкотекучестью, просачивается в малейшие неплотности кладки.

Образованные свинцом каналы могут способствовать уходу металла через кладку. Решение проблемы может быть в организации предварительного подогрева лома.

Наиболее трудной задачей является задача рафинирования металла от элементов, включенных в третью группу. Такие элементы, как никель, кобальт, молибден, вольфрам, медь используют для легирования некоторых марок стали и если в перечне марок, которые включены в заказ цеху, имеются стали, содержащие эти элементы, мастер, получив пробу металла с указанием о наличии этих элементов, может выбрать соответствующую марку из общего пакета заказов. Если соответствующей марки в пакете нет, то плавка или бракуется или выпускается с полученным содержанием этих элементов. Способов удаления их из стали пока не разработано. Одним из возможных способов рафинирования стали от примесей цветных металлов может быть использование явления их испарения в вакууме. Возможность и интенсивность испарения определяются давлением пара примеси i над раствором Pi= piXtfj, где pj— давление пара чистого элемента; Xt и "Si — молярная доля и коэффициент активности элемента в расплаве. Давление пара колеблется в широких пределах. Например, давление пара железа 13,3, марганца 2600, а цинка 5,3 • 10б Па. По возрастанию давления пара чистые элементы (при 1600 °С) можно расположить в следующем порядке: W, Та, Mo, Zr, В, V, Ti, Co, Fe, Ni, Si, Cr, Cu, Al, Be, Sn, Mn, Pb, Sb, Bi, Mg, Zn. Отсюда следует, что при выдержке металла под пониженным давлением можно добиться уменьшения содержания (вследствие испарения) таких трудноудаляемых примесей, как медь, олово, свинец, висмут и др. Действительно, удаление этих примесей происходит (например, при вакуумном переплаве).

Обычно концентрации примесей цветных металлов невелики, поэтому давление пара p-t имеет очень малые значения. Соответственно для испарения необходимо обеспечить глубокий вакуум и длительную выдержку, что в массовом производстве сделать нелегко. Однако и в случае обработки глубоким вакуумом больших масс металла при его внепечной обработке   некоторое   количество    примесей   цветных   металлов удаляется вследствие их испарения, особенно при дополнительном перемешивании расплава.

Во многих случаях присутствие в рядовых марках стали небольших количеств таких примесей, как никель, кобальт, молибден, вольфрам не вредно (иногда — даже полезно). Несколько иное положение с медью. Постепенное, но неуклонное повышение содержания в стали меди, попадающей в металл вместе с ломом, заставляв! металлургов многих стран искать методы ее удаления, поскольку медь ухудшает качество металла таких групп марок стали, как электротехнические, инструментальные, пружинные, высокопрочные, для глубокой вытяжки и т.д. Эти методы пока не разработаны. Один из возможных путей — перевод содержащейся в металле меди в сульфид. Источником серы может быть такой минерал, как пирротин (магнитный колчедан), состоящий в основном из Fej_nS (n = 0,1*0,2). При введении в сталеплавильную ванну пирротина при определенных условиях возможна реакция между сульфидом железа и растворенной медью с образованием сульфида меди, который переходит в шлак 2[Си] + + (FeS) = (Cu2S) + Fe. При этом возрастает содержание в металле серы, определяемое значением коэффициента распределения серы 45= (S)/[S] для данного состава шлака.

Таким образом, уменьшение содержания меди при этом методе обработки сопровождается повышением содержания серы, вследствие чего полученный после операции декупрации металл должен подвергаться десульфурирующей обработке. Упомянутый способ на практике пока не используют и задача разработки рациональной технологии декупрации остается переменной, хотя новые высокоэффективные методы внепечной обработки стали с целью ее десульфурации делают эту проблему не безнадежной.

Не менее сложной задачей является организация удаления таких примесей, как мышьяк, олово, сурьма и др. Один из возможных в будущем путей — организация продувки металла порошками (например, на основе извести и плавикового шпата) в струе кислорода, при этом возможно удаление замег-ного количества этих примесей, что, по-видимому, связано с абсорбционными явлениями, так и с процессами окисления.  Высказано  предположение,   о   механизме  их  уДаления— в результате их окисления с последующей сорбцией непосредственно вдуванием порошкообразным материалом. В работе [16] также сообщается, что при продувке в ковше (с целью дефосфорации) смесями, включающими такие компоненты, как CaO, CaF2, СаС12, ВаО, СаС2 обнаружено некоторое снижение содержания таких примесей, как мышьяк, олово, сурьма.

Широкое использование методами внепечной обработки таких высокоактивных элементов как кальций и таких приемов работы, которые обеспечивают получение над металлом инертной или восстановительной атмосферы изменяет ситуацию с удалением цветных примесей, бывшую до сих пор почти безнадежной.1  Термодинамически кальций может образовывать интерметаллические соединения типа Са3Р2, Ca2Sn. В работе [19] обращено внимание на необходимость при этом повышать давление для предотвращения испарения кальция или использования кальцийсодержащих материалов с меньшей активностью кальция. Известны опыты по рафинированию металла от серы, фосфора, мышьяка, сурьмы, олова, висмута, свинца при давлении до 100 бар. Достигаемая степень рафинирования металла от этих элементов колебалась, в зависимости от исходного содержания, от 35 до 95 %. На 7.12 представлены достаточно удовлетворительные результаты рафинирования коррозионностойкой стали (18% Сг, 8% Ni) при ее обработке под давлением 26 бар металлическим кальцием под покровным шлаком из CaF2 [19]. Специальные исследования, проведенные в Японии на 3-т агрегате GRAF*no-казали [20], что продолжительная (15—18 мин) интенсивная до 0,6м3/(м'Мин) продувка аргоном высоколегированной стали в этом агрегате под восстановительным шлаком позволила заметно снизить содержание свинца и цинка (7.13).

Сказанное    свидетельствует    о    новых    возможностях    (в

части рафинирования          стали  от примесей  цветных метал-

лов), которые возникают по мере совершенствования методов внепечной обработки.