Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 201

ния глиноземистых включений достигает 15 % от начального.

Процесс удаления же силикатных включений более продолжите-

лен и при раскислении стали кремнием происходит снижение ис-

ходного содержания кислорода в лучшем случае на 50 % и, как

правило, при более высокой конечной его концентрации.

В случае диффузионного раскисления металл выдерживают

под жидкоподвижным раскисленным шлаком. При этом по

мере

приближения системы к состоянию термодинамического равно-

весия концентрация кислорода в стали уменьшается, приближа-

ясь к равновесной со шлаком. Этот процесс протекает за счет

диффузии кислорода из металла в шлак.

Раскислительная способность шлака по отношению к ме-

таллу определяется следующими основными факторами: актив-

ностью оксидов железа в шлаке; химическим составом

шлака;

температурой, которая определяет величину коэффициента рас-

пределения кислорода между шлаком и металлом; фактическим

содержанием кислорода в стали.

Величина активности оксидов железа в шлаке при неиз-

менной его концентрации может меняться в широких пределах в

зависимости от содержания в шлаке основных и кислотных окси-

дов. При повышении температуры величина коэффициента рас

пределения кислорода между шлаком и металлом уменьшается.

Поэтому повышение температуры приводит при прочих равных

условиях к росту окислительной способности шлака.

В общем случае процесс диффузионного рафинирования

металла складывается из следующих этапов: массоперенос при-

меси внутри расплава металла; адсорбционно-кинетическое зве-

но, имеющее место на поверхности контакта металла и извле-

кающей

фазы; массоперенос извлекаемой примеси в шлаке.

202 Металлургические мини-заводы

При уменьшении концентрации оксида железа в шлаке

можно достичь довольно низкой равновесной концентрации рас-

творенного в стали кислорода. Расчеты показывают, что при тем-

пературе системы 1560°С рафинировочный шлак состава CaO—

—CaF

с содержанием оксида железа менее 1,5 % обеспечи-

вает равновесное содержание кислорода в металле ниже 0,0020%.

Преимущество диффузионного раскисления перед осаж-

дающим состоит в том, что продукты раскисления не загрязняют

металл. Однако реализация такого способа требует дополнитель-

ного расхода шлакообразующих материалов, энергии и приводит

к существенному увеличению продолжительности рафинирова-

ния стали.

Удаление серы.

Рафинировочный шлак с низким окисли-

тельным потенциалом на основе CaO—Al

—CaF

применяется

также для параллельного проведения процесса глубокой десуль-

фурации металла в ходе внепечной обработки. Известно, что про-

теканию реакций десульфурации шлаковыми смесями способст-

вуют: повышение температуры расплава, что благоприятствует

ускорению ассимиляции извести шлаковым расплавом и обеспе-

чивает необходимую вязкость и жидкотекучесть последнего; уве-

личение основности шлака; снижение до минимального уровня

активности растворенного в металле кислорода и содержания ок-

сидов железа в контактирующем с металлом шлаке.

Применяемый для рафинирования метала шлак представ-

ляет собой сплав оксидов системы СаО—Аl

—SiO

—MgO—

СаF

. В качестве общих рекомендаций можно предложить под-

держивать следующий состав шлака:

СaO 50 - 60%;

MgO 6,0 - 8,0%;

15,0 - 25,0%;

SiO

5,0 - 25,0%;

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 203

FeO+MnO

≤

0,5 - 1,0%.

Для получения жидкоподвижного шлака при температуре

1550 - 1600 °С сумма сгущающих компонентов СaO + MgO +

MnO + Cr

должна быть менее 65 %. Как правило, в рафиниро-

вочном шлаке эта величина превышает указанный предел, поэто-

му предусматривается присадка плавикового шпата в количестве

7-15 % от массы вводимой извести.

Содержание MgO в шлаке требуется поддерживать в пре-

делах 6-8 %, т.к. снижение его содержания в наводимом шлаке

сказывается на усилении эрозии футеровки шлакового пояса

, а

увеличение - резко снижает жидкоподвижность шлака.

Содержание газов в стали. Общепринято, что если в вы-

сокопрочной стали концентрация водорода превышает 2 ppm, то

в изделии или заготовке может происходить замедленное образо-

вание трещин и даже разрушение от остаточных напряжений по-

сле закалки. Самопроизвольные разрушения без внешней нагруз-

ки (флокены) могут проявляться

в литой стали, а чаще - в прокате

или поковках. Установлено, что достижение безопасного уровня

содержания водорода в стали (менее 2 ppm) довольно быстро

достигается в ходе вакуумирования расплава и позволяет сокра-

тить или даже устранить дорогостоящую противофлокеновую

обработку.

Снижение концентрации азота в стали в ходе внепечной

обработки также достигается вакуумированием. При

этом необ-

ходимо отметить, что современная вакуумная технология мало-

эффективна при обработке стали с содержанием азота ниже

0,0050 % и практически неэффективна в условиях массового про-

изводства при необходимости снижения азота ниже 0,0030 %.

Вакуумное обезуглероживание. Растет спрос на рынке ме-

талла на марки стали с содержанием углерода менее 0,0030 %.

204 Металлургические мини-заводы

Как показывает практика работы ряда металлургических

предприятий, получение стали с ультранизким содержанием уг-

лерода путем обычного вакуумирования часто невозможно из-за

нестабильного содержания кислорода в низкоуглеродистом по-

лупродукте. Поэтому для получения гарантированного качества

стали с низким и ультранизким содержанием углерода применя-

ют вакуумную обработку, а недостаток собственного кислорода,

растворенного в стали

, компенсируют за счет ввода его в расплав

через водоохлаждаемую фурму.

Неметаллические включения в стали. Известно, что ка-

чество стали в значительной мере зависит от содержания, формы,

размера и распределения в ней неметаллических включений.

Внедрение в сталеплавильную практику эффективных техноло-

гических приемов десульфурации обеспечивает получение стали

с содержанием серы на уровне

0,003 %, что в значительной сте-

пени понижает отрицательное влияние сульфидных неметалличе-

ских включений на свойства металла. Вместе с тем, как последст-

вие глубокой десульфации, существенно повышается влияние ки-

слорода, который связан в оксидные и оксисульфидные неметал-

лические включения, на качественные показатели металла.

Довольно часто эксплуатационные свойства стали опреде-

ляются степенью различия

физических свойств неметаллических

включений (твердость, прочность, коэффициент термического

расширения) с металлической матрицей. Существенное значение

имеет и то, что сталь представляет собой гетерогенный материал,

компоненты которого в форме оксидов, сульфидов, нитридов и

т.п. входят в состав сложных, а часто и многофазных неметалли-

ческих включений.

Неметаллические включения по деформируемости делят на

три

класса: недеформируемые глобули (например, SiO

); неде-

формируемые оксиды, дробящиеся в строчки (корунд А1

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 205

алюминаты кальция СаО-Al

; шпинели МnО-Аl

; пластичные

сульфиды и силикаты.

Силикаты (SiO

CaO, SiO

FeO, SiO

MnO) при низких

температурах хрупкие, при высоких - пластичные. Температура

их размягчения зависит от состава: снижается с ростом содержа-

ния в них марганца и растет - с увеличением концентрации желе-

за или кальция. Интервал температур, в котором меняется их де-

формируемость, лежит в области горячей прокатки. Поэтому от

незначительных на первый взгляд особенностей

ведения плавки и

раскисления зависит, будут ли деформироваться силикаты при

прокатке данной плавки или нет.

Наиболее опасными с точки зрения разрушения металла

являются твердые и остроугольные включения зерен корунда.

Опасны также крупные включения: строчки алюминатов и алю-

мосиликаты размером от 100 до 300 мкм. От возникновения

строчек алюминатов можно защититься вакуумным раскислени-

ем или заменой раскислителя.

В последние годы в металлургии все чаще применяют раз-

личные микролегулирующие элементы и их комбинации - в том

числе щелочноземельные (кальций, барий, стронций), редкозе-

мельные (иттрий, неодим, празеодим) и ряд нитридообразующих

элементов (ванадий, титан, цирконий и др.). Данные элементы

применяются с целью понижения растворимости вредных приме-

сей (кислорода

, серы, азота и т.д.) в готовой стали, а также со-

вершенствования природы неметаллических включений.

В настоящее время для раскисления стали наиболее широко

используют алюминий. При высоких остаточных концентрациях

алюминия химический состав оксидных включений в стали прибли-

жается к чистому глинозему, что часто является нежелательным как

с точки зрения технологических,

так и потребительских свойств ме-

206 Металлургические мини-заводы

талла. Поэтому во время внепечной обработки, как правило, прово-

дят технологические мероприятия, направленные на изменение при-

роды неметаллических включений.

В настоящее время для модифицирования неметаллических

включений в раскисленной алюминием стали чаще других приме-

няется обработка расплава кальцием. Кальций растворяется в обра-

батываемом металле и, обладая высокой химической активностью

по отношению к

кислороду, частично замещает алюминий в составе

оксидных включений. При достаточно высокой концентрации рас-

творенного кальция оксидные неметаллические включения в стали

представлены, главным образом, алюминатами кальция различного

состава.

Считается оптимальным, если в результате модифицирова-

ния оксидные неметаллические включения в стали представлены

богатыми оксидом кальция алюминатами состава

CaO

2Al

CaO

или фазами с более высоким содержани-

ем оксида кальция. Температура плавления этих соединений ни-

же температуры внепечной обработки стали и разливки, поэтому

в расплаве алюминаты кальция указанного состава находятся в

жидком состоянии и имеют форму близкую к глобулярной. В за-

твердевшей стали благоприятная форма неметаллических вклю-

чений сохраняется. Кроме того,

при горячей пластической де-

формации металла включения такого состава в минимальной сте-

пени склонны к изменению формы и размеров, что положительно

отражается на механических и эксплуатационных показателях.

Весьма перспективным для снижения количества оксидов в

стали представляется её вакуумирование в нераскисленном со-

стоянии, чтобы использовать реакцию окисления углерода для

снижения содержания водорода

, азота и кислорода. Широко из-

вестно, что сталь, раскисленная углеродом под вакуумом, меньше

загрязнена оксидными включениями, чем сталь, которая до ваку-

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 207

умной обработки была раскислена кремнием. В этой же стали

меньше выражены микро- и макроликвационные процессы.

Действительно, меньшей загрязненности стали оксидными

включениями при ее раскислении углеродом под вакуумом бла-

гоприятствует то, что удаление кислорода за счет взаимодействия

с углеродом позволяет избежать образования некоторого количе-

ства включений при последующем раскислении ферросплавами.

Поэтому при

вводе кремния в сталь после вакуумуглеродного рас-

кисления первичные эндогенные включения, как правило, не обра-

зуются. Такой способ обработки позволяет производить сталь, сво-

бодную от крупных оксидных включений и их локальных скопле-

ний.

Сталь, раскисленная углеродом под вакуумом, обладает

более высокими механическими свойствами при их меньшем

разбросе на продольных и

поперечных образцах. Установлено

также, что в стали, раскисленной углеродом под вакуумом, суль-

фиды имеют благоприятное строение.

Таким образом, развитие технологии разливки стали на

МНЛЗ обусловило повышение требований к качеству стали.

Процессы рафинирования стали в ковше, разработанные за по-

следние десятилетия, дополнили сталеплавильное производство

новыми возможностями и расширили диапазон марочного соста-

ва

стали, который можно получать в условиях мини-заводов. Как

правило, наилучшие результаты достигают в случае применения

агрегатов для комплексной внепечной обработки стали типа

«ковш-печь», в которых помимо процессов рафинирования стали

обеспечивается ее доводка по химическому составу и температу-

ре.

208 Металлургические мини-заводы

3.2. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ АГРЕГАТОВ «КОВШ-

ПЕЧЬ» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ПРОИЗВОДСТВА

Возможность комплексной доводки стали на металлурги-

ческих мини-заводах по существу создает уникальные возможно-

сти по совмещению отдельных элементов технологической сис-

темы «выплавка стали» - «разливка стали» в единый энерго- и ре-

сурсосберегающий комплекс.

Принято считать, что при доводке стали в

ковше выполня-

ются технологические операции раскисления стали, коррекции и

усреднения ее температуры и химического состава, а также ра-

финирования и модифицирования. Однако при организации энер-

госберегающего цикла производства стали на мини металлурги-

ческих заводах важнейшей задачей также является совмещение

дискретного цикла выплавки стали в ДСП с квазинепрерывным

процессом ее разливки

на МНЛЗ в условиях уменьшения запаса

энтальпии в металле вследствие потерь тепла при транспорти-

ровке и обработке в ковше.

Компенсация тепловых потерь металла может быть выпол-

нена только за счет его подогрева в ковше. На практике операция

подогрева металла в ковше происходит за счет экзотермических

электрофизических процессов дугового разряда. В трехфазных

установках, работающих на переменном токе промышленной

частоты, электрические дуги горят между тремя вертикально

расположенными графитированными электродами и расплавом,

выполняющим роль нулевой точки электрического соединения

трех дуг в «звезду».

Устройство для нагрева стали в ковше впервые использо-

вано в 1964 г. шведскими фирмами «ASEA» и «SKF» при разра-

ботке процесса рафинирования стали

в вакууме [226]. Такие ус-

тановки для комплексной обработки получили название «ковш-

Глава 3. Процессы и оборудование для внепечной обработки … 209

печь» «ASEA-SKF». При этом процесс «ASEA-SKF» предполагал

скачивание шлака из ковша посредством машины скребкового

типа, перемешивание металла посредством электромагнитного

поля, его подогрев электрическими дугами, наведение синтетиче-

ского рафинирующего шлака, а также вакуумирование и раскис-

ление. Известно, что в 1971 г. Японская компания «Diado Steel»

успешно применила метод рафинирования стали в агрегате

«ковш-

печь».

Уже в 1981 г. в мире работали 32 установки «ASEA-SKF»,

которые обеспечивали производство стали высокого качества

[227]. Несколько позднее основные патенты на технические ре-

шения установки «ASEA-SKF» приобрела итальянская компания

«Danieli», которая успешно работает на рынке установок «ковш-

печь» в течение последних двух десятилетий. Так, одну из пер-

вых установок «ASEA-SKF» фирма

«Danieli» построила для заво-

да утяжеленных бурильных и ведущих труб СМНПО им. Фрунзе

(г. Сумы) в 1987 г.

Процесс перемешивания металла вдуваемым через порис-

тую пробку аргоном при пониженном давлении в сочетании ду-

говым подогревом впервые опробован в США на металлургиче-

ском заводе «Finkl and Sons» в середине 60-х годов прошлого

столетия. В

дальнейшем этот процесс получил название «FINKL-

VAD».

Начиная с 80-х годов прошлого столетия концепция метал-

лургических мини-заводов, как известно, получает широкое раз-

витие, что обусловило почти обязательное применение установок

«ковш-печь» в технологическом построении производства и раз-

ливки стали. Учитывая тот факт, что для большинства мини-

заводов определяющим требованием

является минимизация рас-

ходов, в последние два десятилетия большое внимание уделяется

210 Металлургические мини-заводы

созданию оптимальных технологических и технических построе-

ний для агрегатов «ковш-печь». На развитии концепции агрега-

тов «ковш-печь» фокусируют усилия ведущие европейские про-

изводители металлургического оборудования «SMS», «Demag»,

«VAI-Fukhs» (Германия), «Danieli» (Италия) и т.д. Примечатель-

ным является тот факт, что все эти фирмы свои первые агрегаты

«ковш-печь

» построили в начале или середине 80-х годов про-

шлого века. На территории СССР первая «ковш-печь» была по-

строена в 1985 г. (проект ВНИИМЕТМАШ–ЮУМЗ) на Молдав-

ском металлургическом заводе.

Тем не менее, в течение последних двух десятилетий агре-

гаты «ковш-печь» непрерывно совершенствовались как в техно-

логическом, так и в

конструкционном плане. Это позволило дос-

тичь весьма высоких показателей как в части качества стали, так

и в части энерго- и ресурсосбережения в технологической систе-

ме её выплавки и разливки. Более того, на практике убедительно

доказана высокая конкурентоспособность агрегатов «ковш-печь»

практически для всего диапазона вместимости сталеразливочных

ковшей: от 12 - 15 тонн до 350 - 360 тонн

Кроме того, в состав агрегата «ковш-печь» входят средства

для перемешивания металла инертным газом, система подачи

ферросплавов и материалов для рафинирования стали в ковше. В

настоящее время непрерывный ввод различных веществ (углеро-

да, раскислителей, модификаторов) проводят с применением по-

рошковой проволоки, имеющей в своем сечении круг или прямо-

угольник, стальная

оболочка которой обычно завальцована. Такая

проволока большой длины поставляется в катушках на металли-

ческой или деревянной раме [315, 317]. Ввод порошковой прово-

локи в расплав осуществляется по направляющей трубе с помо-

щью специального трайбаппарата, состоящего из подающего и

разматывающего устройств (рис. 3.1).