 |
|
Тема 2. Методы повышения качества металлопродукции - сталь и ее продувка инертными газами
1. Продувка инертными газами
Продувка инертным газом - для повышения качества металлопродукции и металлопроката в металлургии получило промышленное распространение производство дешевого аргона в больших количествах (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воздухе ~ 1 % Ar).
На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если металлургический завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося аргона достаточен для того, чтобы обработать всю производимую сталь и тем самым повысить качество всего сортамента металлопродукции. В тех странах, где имеются запасы гелия, сталь продувают гелием.
Сталь не содержащая нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто продувается азотом, т.к. при 1550—1600 °С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м3/т стали. В зависимости от массы жидкого сплава в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5-4,5 °С/мин (без продувки сталь в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0 °С/мин).
Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями сплава и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке инертными газами позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом обнажающаяся при продувке сталь, имеет меньшую степень окисления.
Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 1). Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.
| ||
| Рисунок 2. Конструкция пористой пробки (вставки) для продувки стали аргоном: 1 — вставка с каналами для прохода газов; 2 — огнеупорный корпус; 3 — гнездовой кирпич |
Большое распространение получил способ продувки стали инертными газами через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные вставки или пробки (рис. 2); в тех случаях, когда продувку инертными газами проводят одновременно через несколько пробок (вставок), эффективность воздействия инертного газа на сталь существенно увеличивается. Продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; сталь продутая с интенсивностью до 1,0 м3/т имеет пониженное содержание неметаллических включений, для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2^3 м3/т металла.
|
| Рисунок 3. Схема САВ-процесса: 1 — ковш с металлом; 2 — крышка ковша; 3 — устройство для загрузки ферросплавов; 4 — отверстие для отбора проб; 5 — синтетический шлак; 6 — шиберный затвор; 7 — пористая пробка для введения в сталь аргона |
Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком способствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта сталь-шлак. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет сталь от окисления, а снижение потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана разработанная на одном из металлургических заводов Японии технология так называемого САВ-процесса (от слов Capped—Argon—Bubb-ling) (рис. 3 слева); данная технология предусматривает наличие на поверхности сплава в ковше синтетического шлака заданного состава.
В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает в месте со сталью какое-то количество конечного окисленного шлака (например, при выпуске плавки из конвертера), используют метод, названный металлургами Японии SAB-процессом (рис. 3 справа).
Введение в сталь добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается в несколько усложненном способе защиты зоны продувки, названном CAS-процессом.
По этому способу в ковш сверху вводят огнеупорный колпак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим конусом, таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак; затем снизу под колпак подают аргон.
В результате продувки интертными газами сталь получается более высококачественной, из которой можно изготавливать металлоконструкции ответственного назначения: высококачественные профильные трубы, швелера, уголки стальные, балки двутавровые, лист стальной, арматурный прокат (т.е. арматура), профнастил и другой металлопрокат.
2. Сталь и ее аргонокислородная продувка
Аргонокислородная продувка стали в металлургии - влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении углерода, использовано при разработке такого процесса, как аргонокислородное обезуглероживание или аргонокислородное рафинирование (АКР) с целью получать более высококачественную сталь и изготавливать из нее качественный металлопрокат
При продувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2O2(г) = СОг определяется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида углерода. Продувая сталь смесью кислорода с аргоном, мы добиваемся "разбавления" пузырей СО аргоном и соответствующего сдвига вправо равновесия реакции. Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны.
|
| Рисунок 1. Конструкция конвертера для аргонокислородной продувки стали |
Для осуществления процесса аргонокислородного рафинирования создан агрегат, обычно именуемый AOD-конвертер (рис.1). Конструкция фурм для подачи смеси аргона и кислорода позволяет в широких пределах регулировать соотношение O2:Ar; при этом соответственно меняется окислительный потенциал вдуваемой газовой смеси, вплоть до продувки одним аргоном (обычно в заключительной стадии плавки). Если при этом продувку вести под высокоосновным шлаком, обеспечивается также эффективная десульфурация расплава, что также способствует повышению качества металлопроката и металлопродукции.
Сравнительная простота организации аргонокислородной продувки, высокая производительность агрегатов и возможность изменять в широких пределах окислительный потенциал газовой фазы (отношение O2: Ar) приводят к непрерывному расширению сферы распространения этого метода. Этот метод используют для производства не только коррозионностойких сталей, но также и электротехнических ( холоднокатанные электротехнические листы), конструкционных (балка двутавровая, металлоконструкции, арматура строительная, квадрат стальной, труба стальная бесшовная,) и других сталей. Этот метод позволяет получать в конвертере высокохромистые стали непосредственно из чугуна с использованием в качестве шихтового материала хромистой руды.
Жидкий чугун подвергают внедоменной обработке (обескремниванию, дефосфорации), после чего заливают в конвертер. В процессе продувки в конвертере осуществляют обезуглероживание, десульфурацию и легирование хромом. Часть хрома вводят в сталь с феррохромом, а часть — с хромистой рудой, оксиды которой восстанавливаются углеродом чугуна.
На одном из металлургических заводов Японии организовали производство коррозионностойкой стали (нержавеющие трубы и многие другие изделия из нержавейки) из расплава никелевых и хромистых руд. Никелевую руду с высоким содержанием железа подвергают дроблению, обогащению и предварительному нагреву в смеси с углеродистым восстановителем и в нагретом (-1000 °С) состоянии загружают в рудовосстановительную печь, в которой получают расплав с 13-15 % Ni.
Хромистую руду также подвергают предварительной обработке и в нагретом (-500 °С) состоянии загружают в рудовосстановительную печь, в которой получают расплав с 40-43% Cr. Расплавы смешивают в ковше и заливают в конвертер, в котором подвергают аргонокислородной продувке для получения специальных высокохромистых никельсодержащих коррозионностойких сталей (из которых изготавливают высококачественный металлопрокат).
По сравнению с известным способом получения таких сталей из скрапа по схеме дуговая электропечь - конвертер аргонокислородной продувки затраты энергии в новом процессе ниже, содержание неметаллических включений и азота меньше, поскольку используют первородную шихту и не происходит образование атомарного азота в зоне продувки.
Вследствие этого готовая сталь дешевле, металлопродукция металлургических заводов использующих аргонокислородную продувку имеет низшую себестоимость и они являются более конкурентноспособными на рынке металлопроката.
3. Обработка стали синтетическим шлаком
Обработка стали синтетическим шлаком - в тех случаях, когда основную роль в удалении примеси выполняет шлаковая фаза, скорость процесса пропорциональна величине межфазной поверхности шлак—сталь, интенсивности и продолжительности перемешивания металла и шлака. На практике используют ряд технологий.
Одна из них — использование высокоосновного и малоокисленного конечного шлака электроплавки. Если при этом в электропечи расплавить лигатуру и смешать ее (вместе с таким шлаком) со сталью, выплавленном в конвертере или мартеновской печи, получается так называемый "совмещенный" процесс (рис. 1). Падая с большой высоты в ковш, сталь энергично премешивается с лигатурой и высокоосновным, раскисленным шлаком, происходит раскисление, легирование и десульфурация стали, вследствии чего повышается качество металлпродукции и металлопроката (труба стальная бесшовная, металлоконструкции, арматура строительная, квадрат стальной, балка двутавровая или двутавр).
Во многих случаях в электропечах просто расплавляют один шлак (основные составляющие СаО и Al2O3) и этим шлаком обрабатывают сталь, выплавленнную в конвертере, мартеновской или электропечи. Операция называется "обработка стали синтетическим шлаком" (СШ). Такой метод обработки стали был предложен в 1925—1927 гг. нашим соотечественником инж. А.С.Точинским.
|
| Рисунок 1. Схема совмещенного процесса раскисления, легирования и рафинирования стали |
В тех случаях, когда по условиям производства нет возможности разместить оборудование для расплавления синтетического шлака, используют метод обработки металла твердыми шлаковыми смесями (ТШС). Обычно в состав таких смесей входят СаО, CaF2, алюминиевая стружка и т.п. Эффективность использования ТШС, естественно, ниже, чем жидких синтетических шлаков. Основное требование к составам твердых шлаковых смесей и синтетических шлаков — минимум оксидов железа (для обеспечения максимального обессеривающего эффекта).
При обработке стали синтетическим шлаком такого состава (высокая основность и низкая окисленность) протекают следующие процессы:
· Десульфурация. Сталь после обработки шлаком содержит серы до 0,002-0,010 %.
· Раскисление. В соответствии с законом распределения Lо = а(FeO)/a[О] и a[О] = а(FeO)/Lо
Поскольку в синтетическом шлаке значение а ничтожно мало, окисленность металла снижается (в полтора - два раза).
· Удаления неметаллических включений.
Капли синтетического шлака будут рафинировать сталь от включений (капли шлака, всплывая, уносят неметаллические включения). Практика показала, что сталь после обработки синтетическим шлаком содержит примерно в два раза меньше неметаллических включений. При проведении операции обработки металла шлаком приходится учитывать нежелательность попадания в ковш, в котором производится обработка, вместе со сталью также и шлака из печи или из конвертера.
Из выше сказанного можно сделать вывод, что сталь после обработки синтетическим шлаком является более качественной, соответственно повышается и качество металлопродукции и металлопроката производимого металлургическими заводами, которые осуществляют описанную выше обработку стали.