"Физико-химические процессы производства черных металлов " СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 3 Обработка металла твердыми шлаковыми смесями. 4 Методы продувки 10 Аргонокислородная продувка 15 Влияние продувки металла на физические свойства расплава 18 ЛИТЕРАТУРА 23 ВВЕДЕНИЕ Чаще других используют два технологических приема: • подачу на струю металла
порошка, состоящего из извести, плавикового шпата и алюминия; • присадку десульфурирующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата, на дно ковша перед выпуском металла; при этом одновременно на дно ковша присаживают все требуемое для раскисления количество ферросилиция. Температура металла при использовании для десульфурации синтетических смесей в твердом виде должна быть выше обычной на 10-15 °С. Так, например, твердые шлаковые смеси (сокращенно
ТШС) использо-вали в конвертерном цехе комбината "Азовсталь" при производстве труб большого диаметра для магистральных трубопроводов (сталь должна была содержать не более 0,010% S). Использовали ТШС следующего состава, %: известь 60; плавиковый шпат 20; магнезитовый порошок 10; отходы, содер-жащие алюминий, 10. При этом ввод в состав ТШС магнезитового порошка (используемого для торкретирования конвертеров
или заправки мартенов-ских печей) обусловлен тем, что MgO при содержании его в шлаке до 10-12% снижает температуру ликвидуса системы CaO-SiO2-Al2O3-MgO и вязкость таких шлаков, повышая коэффициент активности СаО и коэффициент рас-пределения серы. Отходы алюминия и алюминиевых сплавов (алюмошлак) представляют собой механическую смесь, состоящую из 85% металлической части (ко-рольки, всплески, нерасплавившаяся
часть алюминиевого лома) и 15% шла-ковой части (состоящей в основном из A12O3). В составе металлической час-ти содержится до 75% А. Металлический алюминий в составе алюмошлака выполняет двоякую роль: во-первых, обеспечивает дополнительное раскис-ление металла, во-вторых, образующийся после окисления алюминия А12О3, остается в шлаке и является дополнительным разжижителем шлаковой сме-си, находящейся в сталеразливочном ковше. Обработку стали ТШС проводили в ковше во время выпуска металла из конвертера. Порядок присадки смеси был следующий. Известь и плавико-вый шпат, предварительно смешанные, подавали в ковш емкостью 350 т по тракту сыпучих. Магнезитовый порошок и алюмошлак без предварительного смешивания присаживали в ковш с рабочей площадки конвертерного отделе-ния из переносного бункера одновременно с известью и плавиковым шпатом. Очередность подачи в ковш материалов во время выпуска соответствовала
существующей: 1-я порция чушкового алюминия, ТШС, наутлероживатель и ферросплав; 2-я порция чушкового алюминия, алюминиевый слиток. В ре-зультате получали сталь, содержащую 0,009% S. Обработка металла твердыми шлаковыми смесями. В тех случаях, когда по условиям производства (например, цех старой постройки с отсутствием свободных площадей) нет возможности разместить, оборудование для
расплавления синтетического шлака, используют метод обработки металла на выпуске твердыми синтетическими шлаками. Обычно в состав таких смесей вводят СаО и CaF2. Расход таких смесей колеблется от 3 до 10 кг/т (иногда и более). И в этом случае наилучшие результаты по де-сульфурации и получению стали с минимальным содержанием неметалличе-ских включений, получают при одновременном воздействии на металл с де-сульфурирующей синтетической
смеси и раскислителей. Чаще других ис-пользуют три технологических приема: 1. Подача на струю металла порошка, состоящего из извести, плавико-вого шпата и алюминия. 2. Присадка десульфурирующей смеси, состоящей из извести и плави-кового плата, на дно ковша перед выпуском металла; при этом одновременно на дно ковша присаживается все требуемое для раскисления количество фер-росилиция. Температура металла при использовании для десульфурации синтети-ческих смесей в твердом виде должна быть выше обычной на 10-15 °С. В не-которых случаях для облегчения условий быстрого образования активного шлака ковш вовремя покачивают или перемещают вперед и назад. Обработка таким методом стали с повышенным содержанием углерода позволяет сни-зить содержание серы (по сравнению с последней пробой из конвертера) почти вдвое; при обработке менее углеродистого металла (ванна более рас-кислена) степень десульфурации уменьшается.
3. Подача порошкообразной смеси извести, плавикового шпата и каль-цинированной соды при помощи бункера-дозатора на поверхность струи ме-талла, стекающего по выпускном) желобу в ковш. При падении струи и ударе ее о дно ковш или об уже накопившийся в нем слой жидкого металла прохо-дит перемешивание обеих фаз и быстрая десульфурация металла. Расход смеси составляет 1,2-1,6%. В СССР в последние годы проведен ряд исследований имеющих целью определить
рациональные и экономичные обоснованные пути использования твердых шлакообразующих смесей (ТШС). С целью выбора более эффективных схем внепечного рафинирования ЦНИИЧМ совместно с металлургическим комбинатом "Азовсталь" выполнен технико-экономический анализ затрат на производство трубных сталей при частичной или полной замене синтетического шлака ТШС, которая содержа-ла известь и плавиковый шпат фракции 50-20
мкм в соотношении 4: 1. Тех-нологическую присадку этой смеси осуществляли с использованием средств механизированной подачи в сталеразливочный ковш, в начале выпуска плав-ки из конвертера непосредственно на струю сливаемого металла. Удельный расход ТШС составлял 5-6 кг/т стали в случае частичной замены синтетиче-ского шлака. При полной замене синтетического шлака ТШС удельный рас-ход увеличивался, до 12-14 кг/т стали. Анализу подвергали технико-экономические показатели трех вариантов внепечного рафинирования труб-ных сталей группы ГФБ (09Г2ФБ, 10Г2ФБУ, 10Г2ФБ). В первом варианте (табл.4.1) десульфурация металла проводилась известково-глиноземистым шлаком в 350-т сталеразливочном ковше с кислой набивной или шамотной кирпичной футеровкой. Во втором варианте ее осуществляли в 350-т стале-разливочном ковше с кислой набивкой или шамотной кирпичной футеровкой с уменьшенным (на 15-20%) удельным расходом известково-глиноземистого шлака и добавками ТШС. Благодаря производству трубного металла в конвертерном
Цехе с ис-пользованием ТШС и ковшей с футеровкой из основного огнеупорного мате-риала нижний предел по содержанию серы в трубной стали дополнительно уменьшился до 0,004%, повысилась усвояемость алюминия, марганца и кремния, в жидкой стали в процессе корректировки ее химического состава, а стойкость футеровки ковшей увеличилась более чем в 2,8 раза. Наряду с ука-занными преимуществами необходимо обратить внимание на уровень изме-нения тепловых потерь и способы их компенсации.
Уменьшение количества синтетического шлака на плавку и обвалку в ковш ТШС (второй вариант) увеличивают потери 1епла на нагрев и расплав-ление ТШС. Отмечено также сниже-11116 температуры металла в ковше с 10 (в первом и втором) *) 5°С (в третьем варианте). В условиях кислородно-конвертерного цеха комбината повышенные потери тепла компенсируются путем подогрева огнеупорной футеровки ста-леразливочного ковша до 800 °С.
Для этого стенды в ковшовом пролете были оборудованы высокотемпературными горелками, а сталеразливочные ковши снабжены специальными крышками для утепления. Использование указан-ных мероприятий снижает до минимума потери тепла по третьему варианту и повышает эффективность внепечного рафинирования стали. В мартеновском цехе МК "Азовсталь" усовершенствовали технологию производства рельсовой стали путем обработки ее в ковше шлаком ЭШП с добавкой доломитизированной извести при одновременной продувке металла аргоном. Такая внепечная обработка позволила снизить среднее содержание серы с 0,036 до 0,026%, стабилизировать температуру металла, повысить чистоту металла по неметаллическим включениям и увеличить выход рель-сов I сорта. На РусМЗ проведены плавки трубной стали с десульфурацией металла в сталеразливочном ковше на выпуске смесью извести и отходов производст-ва вторичного алюминия, содержащих 65-70%.
А12О3; 2-4% SiO2; 2,8-3,2% СаО. Смеси в ковш подавали одновременно с раскислителями при заполне-нии его металлом на 1/8 высоты в течение 2-3 мин. Применение твердой шлакообразующей смеси значительно увеличивает степень десульфурации металла; при этом снижается угар кремния и марганца в ковше соответствен-но на 9,9 и 4,7%, расход алюминия в слитках уменьшается. Новая технология позволила увеличить выход труб первого сорта В СССР над проблемой разработки эффективной технологи" обработки стали
ТШС, длительное время работает донецкий институт. Разрабатывая технологию применения условий мартеновского цеха металлургического комбината им. Дзержинского установили, что условия десульфурации изме-няются в зависимости от продолжительности (интенсивности) выпуска плав-ки. Для улучшения условий шлакообразования и физико-химических свойств рафинировочного шлака в состав обычной смеси (60-65% извести и 35-40% плавикового шпата) ввели отсевы алюминиевой стружки (отвальный про-дукт),
содержащей 15-20% А12О3; 0,5-2,0% СаО; 10-12% SiO2; Добавка 10% отсевов алюминиевой стружки способствует снижению вязкости шлака в ин-тервале 1550-1600 °С на 25%, а также плавкости смеси на 60 °С, что свиде-тельствует об улучшении тепловых условий формирования шлака. Провели оценку продолжительности прогрева кусочков смеси до тем-пературы металла с учетом плавления легкоплавких (Составляющих. Расче-ты показали, что при гидродинамических условиях наполнения ковша до 1/3 его высоты период полного прогрева тугоплавких кусочков смеси размером до 20 мм не превышает 50 С, что составляет не более 5-10% общей продол-жительности выпуска металла из 240-т мартеновской печи. В связи с высо-кими значениями коэффициентов турбулентного массообмена в этот период наполнения ковша существует возможность получения жидкой шлаковой фа-зы при наличии тугоплавких кусочков извести размером до 20 мм. Выбор оптимальных значений гидродинамических параметров расхода металла в струе при его сливе
в ковш и режима присадки смеси в рафини-руемый расплав проводили по Результатам промышленных экспериментов и теоретических Расчетов. Момент ввода смеси в ковш был определен одно-значно, так как из-за необходимости проведения в ковше окончательного раскисления стали подача смеси может быть начата спустя 2-2,5 мин после начала выпуска. Скорость подачи смеси на струю металла была задана из расчета обеспечения равномерного прогрева
кусочков смеси до температуры расплава за период времени, ограниченный наполнением ковша от 1/4 до 1/3 его высоты. Результаты тепло-Вь1х расчетов показали, что этого времени достаточно для одного прогрева кусочков смеси размером до 20 мм. В результате обработки массива плавок, на которых смесь присажива-ли рассредоточено на струю металла по разработанному режиму, определили оптимальный расход металла в струе, при котором достигаются наиболее вы-сокие значения степени десульфурации стали в 240-т ковше
Другим вариантом обработки металла в ковше шлаковыми смесями яв-ляется технология использования экзотермических самоплавких шлакообра-зующих смесей (СШС), которые содержат шлакообразующие (известь, А12О3, плавиковый шпат), окислитель (натриевую селитру) и "топливо" (алюминиевый порошок). Работы, показали, что во время горения и плавле-ния экзотермической смеси ковш необходимо накрывать зонтом с отводом дыма, улавливания пыли и ядовитых оксидов азота. В настоящее время ме-таллургический комбинат им. Ильича (МКИ) и разработали и внедрили в опытно-промышленном режиме технологию рафинирования конвертерной стали 09Г2С жидкими синтетическими шлаками, получаемыми из СШС. Ус-тановка для получения шлака малогабаритна и занимает небольшую площадь в разливочном пролете, а газоочистка вынесена на территорию цеха. Производство экзотермической СШС организовано в специализиро-ванном отделении, характеризуется высокой степенью механизации.
Условия работы соответствуют требованиям техники безопасности. При изготовлении смеси используют отходы производства (отсевы алюминиевой стружки, не-кондиционную известь). Для транспортировки исходных материалов и гото-вой смеси служит автотранспорт со специализированными саморазгружаю-щимися контейнерами. Предусмотрена также возможность получения рафи-нировочного шлака непосредственно в сталеразливочном ковше, что значи-тельно экономичнее.
В обычных условиях в производимой на МКИ стали 09Г2С содержится в среднем 0,027% S. После обработки СШС содержание серы в готовой стали составляет 0,023% при расходе СШС 18; 4кг/1 стали и 0,013% при расходе СШС 32,5 кг/т стали. Обработка металла в ковше (ТШС) имеет два основных недостатка: малая (по современным требованиям к качеству металла) степень десульфу-рации и нестабильность получаемых при обработке результатов (в случае,
если используют только один этот метод). Значительным достоинством ме-тода является его простота и доступность, а также возможность эффективно использовать отходы различных производств. Так, институтом УНИИМ со-вместно с КМК разработана и внедрена технология обработки рельсовой мартеновской стали ТШС, состоящей из извести и отходов производства алюминия, содержащих до 70% глинозема и некоторое количество плавней (К2О + Na2O). После сушки и просеивания (ячейки 50×50 мм) ТШС загру-жают в контейнеры и присаживают в ковш сразу после введения раскислите-лей. В результате в ковше формируется достаточно подвижный шлак, обла-дающий высокой десульфурирующей способностью и адгезионной способ-ностью по отношению к включениям. В результате среднее содержание серы в готовом металле снизилось с 0,026 до 0,021%, увеличился выход 25-м рель-сов 1-го сор-та, уменьшился перевод рельсов во
II сорт по неметаллическим включениям и т.д. По мере развития таких способов внепечной обработки стали, как на-грев металла в процессе его внепечной обработки на установке ковш – печь при одновременной продувке инертными газами ситуация изменяется. Метод расплавления в отдельном агрегате синтетического шлака для последующего слива этого шлака в сталеразливочный ковш постепенно уступает место ме-тоду наведения шлака требуемого состава в агрегате внепечной обработки при одновременном перемешивании и металла и шлака
(инертными газами, в вакуумной камере, электромагнитным и др.), при этих условиях метод ис-пользования ТШС получает самое широкое развитие. Наиболее эффективный современный метод ускорения процесса выго-рания углерода. Его преимущества по сравнению с присадками руды. Методы продувки Для продувки металла инертными газами используют в основном опускаемые сверху футерованные фурмы и пористые плавки. Обзор совре-менного опыта опубликован в работе при выборе метода обработки
учиты-вают, что при продувке через пористые огнеупоры обеспечивается макси-мальная поверхность контакта металл – инертный газ. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного сто-пора. Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуа-тации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких измене-ний, но их существенным недостатком является малая стойкость. В результа-те интенсивного движения вдоль стопора металло-газовой смеси составляю-щие его огнеупоры быстро размываются (при использовании высококачест-венных высокоглиноземистых – до десяти плавок). Фурмы в большинстве случаев представляют собой футерованные ог-неупорными катушками стальные трубы наружным диаметром 43-57мм и стенкой толщиной 10-12мм. В последние годы получили широкое распро-странение фурмы, в которых нижняя огнеупорная катушка опирается на кружок, приваренный к торцу трубы. Диаметр цилиндрического канала в кружке для выхода газа составляет
от 8 до 32-35 мм. Каналы могут выпол-няться также щелевыми и коническими. В этом случае отмечена интенсифи-кация процессов перемешивания. Используют фурмы с Г – и Т-образными соплами, а также многосопловые. С целью диспергирования газа и интенси-фикации продувки фурмы могут оснащаться пористыми дутьевыми блоками, хотя широкого распространения в этих дутьевых устройствах они не получи-ли, главным образом,
в связи с невозможностью подачи порошков. Пористые блоки можно рассматривать как разновидность многосопловой фурмы, в ряде случаев их применение обеспечивает повышение эффективности продувки. Перспективным является использование пористых углеродистых дутьевых блоков-фурм, характеризующихся невысокой стоимостью и простотой изго-товления. Распространен и другой способ продувки – через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные пробки или вставки; в тех случаях, ко-гда продувка производится одновременно
через несколько пробок, эффек-тивность воздействия инертного газа на металл существенно увеличивает по-ристые огнеупорные пробки выдерживают несколько продувок. Пористые пробки наряду с высокой газопроницаемость10 должны иметь огнеупор-ность, достаточную для надежной Работы в интервале 1550-1650 °С, обла-дать высокой терм0′ стойкостью и химической стойкостью к металлу и шла-ку. Получают распространение и другие способы. Чаще всего используют способ продувки через несколько (обычно 3-4) пористых пробок, располо-женных примерно на серединах радиусов днища ковша, что обеспечивает удовлетворительное перемешивание объема металла в ковше. Основной характеристикой дутьевого устройства (пористой пробки) является газопроницаемость огнеупорного металла. С одной стороны, она должна обеспечивать высокую интенсивность подачи газа, с другой, даже при отсутствии давления его, исключить проникновение стали или шлака в поры вставки.
Опыт эксплуатации пористых пробок показал, что оба условия реализуются одновременно при диаметре пор от 0,6 до 1 мм. Эти значения определяются ферростатическим давлением столба металла в ковше, темпе-ратурой металла и углом смачивания между металлом и огнеупором. Установка для продувки монтируется в днище ковша, и включает два основных элемента: продувочную пористую вставку и гнездовой кирпич. Вставка имеет листовую металлическую оболочку.
Подвод инертного газа осуществляют по патрубку. Гнездовой кирпич и вставка выступают над уровнем днища ковша, что предотвращает образование настылей на поверх-ности вставки после разливки. Все устройство крепится к наружной части днища ковша. В днище могут устанавливаться одна или несколько продувоч-ных систем. Операции по замене огнеупорных и других деталей осуществ-ляют снаружи ковша при помощи специального
гидравлического механизма, позволяющего извлечь из ковша все дутьевое устройство. Как правило, проб-ка имеет конусообразную форму, которая в значительной степени обуслов-лена лучшим ее закреплением в гнездовом кирпиче. Пробки преимуществен-но размещают в зоне, отстоящей от стенки ковша на 1/3-1/2 его радиуса со смещением на 90° относительно канала для выпуска стали. Известны приме-ры размещения пористой вставки в стенке ковша на уровне третьего от дни-ща ряда кирпичей. Соседние с вставкой кирпичи без стальной оболочки в этом случае изготавливают из того же материала, что и вставку. При этом отмечается уменьшение износа огнеупорной кладки в зоне вставки. Как правило, продувочные вставки изготавливают из качественных вы-сокоглиноземистых и основных огнеупоров. Из каждого в отдельности либо в различных сочетаниях, в частности, известно применение вставок, в кото-рых зона контакта с металлом состояла из магнезита, а нижняя часть – из глинозема.
Кроме состава огнеупорного материала, большое значение для эксплуатационных характеристик вставки имеет вид ее пористости. Техноло-гия Изготовления вставок позволяет производить кирпичи с неориентиро-ванной и ориентированной (направленной) пористостью, причем направлен-ная пористость может создаваться особым способом литья с вибрацией. Для технологии изготовления кирпичей с неориентированной пористостью ха-рактерны применение крупнозернистого материала, сравнительно низкое давление прессования, добавление
породообразующих материалов. Помимо названных конструкций широкое распространение получает способ ввода газа в жидкий металл через разливочный канал шиберного за-твора. Способ имеет ряд достоинств: отсутствие необходимости сооружения специальных установок и внесения изменений в конструкцию кожуха и фу-теровку ковша, устранение расхода огнеупорных катушек (при исключении погружной фурмы). Способ получил распространение на многих заводах
СССР. Сотрудники Руставского металлургического завода и Института ме-таллургии Т.В. Кашакашвили, М.Д. Ланчава, А.Г. Габисиани предложили назва-ние ШОС-процесса (шиберная обработка стали). В СССР применяют в ос-новном два варианта конструкции. Особенностью затвора конструкции ДПИ (3.7, а) является наличие кристаллизатора, выполненного в виде дву- концен-трически расположенных и установленных с зазором металлических элемен-тов. Это позволяет предотвратить возникновение аварийных ситуаций при резком снижении давления в газопроводе и обеспечить продувку с малым расходом газа. После окончания обработки металла и закрытия затвора кри-сталлизатор извлекается из разливочного ковша для повторного использова-ния. Основным недостатком затвора является необходимость перекрытия ка-нала перед окончанием продувки.
Достоинством затвора, эксплуатируемого на Руставском металлургическом заводе (РМЗ), является простота изготовле-ния и обслуживания. Однако в его конструкции не предусмотрена защита от прохода жидко-4 го металла по каналу кислородной трубки, используемой в качестве инжекционной фурмы, при внезапном прекращении подачи газа. Для устранения указанного недостатка на ММК С.П. Еронько с соавторами было предложено в канале фурмы размес-тить стальной сердечник, однако
это привело к снижению газопропускной способности фурмы до 60м3/ч. Как было отмечено выше, при продувке инертным газом выравнивает-ся состав и регулируется температура металла, ускоряются процессы раство-рения в металле установленную в боковой стенке ковша; через канал затвора; и донная продувка в сочетании с другими способами внепечной обработки стали введенных в ковш ферросплавов, облегчается процесс всплывания не-металлических включений, происходит дегазация стали.
Продувка с расхо-дом газа до 0,5 м7т стали уже достаточна для усреднения химического соста-ва и температуры металла; продувка с интенсивностью до 1,0м3/т влияет на рафинирование металла от неметаллических включений; Для достижения оп-тимальных результатов в дегазации необходим расход инертного газа не ме-нее 2-3 М3/т металла. Обычно продувке инертным газом подвергается хорошо раскисленный металл. Продувка инертным газом, уменьшу парциальное давление моноок-сида углерода, сдвигает вправо равновесие реакций [С] + [О] = СОГ. В слу-чае продувки не полностью раскисленного металла кроме перечисленных процессов, происходит окисление углерода, дополнительное перемешивание и газовыделение результате образования СО. Продувка и вызываемое этим перемешивание металла улучшают условия зарождения и выделение пузырей СО. Вследствие этого при продувке снижается численность металла, умень-шается содержание оксидных неметаллических включений. В качестве при-мера приведем результаты, полученные
А.Ф. Сарычевым с соавторами на ММК. Исследовали влияние продувки металла аргоном через затвор на тех-нологические факторы при производстве низкоуглеродистой кипящей стали для тонкого холодно – и горячекатаного листа. Опытные и сравнительные плавки проводили в двухванной печи с выпуском в ковш нераскисленного металла (0,02-0,19% С). Температура стали перед выпуском составляла 1585-1610 °С. Во время выпуска на обычных и опытных плавках по наполнении ковша от 1/5 до l/З его высоты присаживали
ферромарганец из расчета полу-чения заданного содержания марганца в готовой стали. На опытных плавках подачу аргона в ковш начинали в момент появления металла на желобе и за-канчивали при появлении окисленного печного шлака на сталевыпускном желобе. Содержание кислорода в металле в начале выпуска на опытных и обычных плавках было примерно одинаковым. В ковше после выпуска плав-ки, а также на разливке концентрация его в случае продувки стали, аргоном
уменьшалась. При этом металл получался также более однородным по со-держанию марганца в начале и в конце разливки. Таким образом, избираемые методы продувки должны учитывать весь комплекс технологических проблем, начиная 01 марки стали и кончая вме-стимостью КОЕШЭ. Аргонокислородная продувка Влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциаль-ного давления монооксида углерода, образующегося при окислении углеро-да, использовано при разработке такого процесса, как аргонокислородное обезуглероживание или аргонокислородное рафинирование (АКР). При про-дувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2 О2(г) = СОг опреде-ляется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида уг-лерода. При продувке металла смесью кислорода с аргоном происходит "раз-бавление" пузырей СО аргоном и соответствующий сдвиг вправо равновесия реакции.
Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны. Метод аргонокислородной продувки широко используется при производстве коррозионно-стойких и других хромсодержаших сталей. Равновесие реакции (Сг2О3) + 3 [С] = 2 [Сг] + 3 СОг при уменьшении парциального давления монооксида углерода Рсо сдвигается вправо, в результате обеспечивается хорошее усвоение кислорода.
В процессе продувки состав смеси изменяют, уменьшая расход кислорода и увеличивая расход аргона. Таким образом, обеспечивают получение сплавов с очень низким содержанием углерода и без заметных потерь хрома. Метод аргонокислородной продувки реже используют для получения таких особо низких концентраций углерода, как при способе вакуум-кислородного обез-углероживания, степень использования хрома при аргонокислородной про-дувке несколько ниже. Однако способ аргоно-кислородной продувки позво-ляет на более простых агрегатах
получав более высокую производитель-ность. Соотношение расходов кислорода и аргона изменяют по ходу продув-ки, добиваясь максимального окисления углерода и минимального окисления хрома. Обычно соотношение расходов кислорода и аргона по ходу продувки изменяют от 3: 1 до 1: 3. Для снижения стоимости передела в начальной ста-дии продувки вместо аргона можно вдувать азот. На заключительной стадии ванну продувают чистым аргоном для возможно большего снижения концен-трации кислорода и серы (в результате перемешивания металла под высоко-основным шлаком), а также для возможно большего восстановления окис-ленного в процессе продувки кислородом хрома. Существует ряд разновид-ностей процесса, одна из последних, процесс KCB-S (Krupp Combined Blowing – Stainless) разработана фирмой Krupp. В этом процессе продувка расплава в конвертере смесью кислорода и аргона производится сверху
и од-новременно через четыре фурмы, установленные в нижней части стенки. По достижении ~ 0,15% [С] продувка сверху прекращается, продолжается толь-ко нижняя продувка. Высокие температуры и понижение давлений Рсо по-зволяют получать высокие значения [Сг] / [С] и очень низкие содержания уг-лерода. Сравнительная простота организации аргонокислородной продувки, высокая производительность агрегатов и возможность изменять в широких пределах окислительный потенциал газовой
фазы (отношения Ог: Аг) приво-дят к непрерывному расширению сферы распространения этого метода. Этот метод используют для производства не только коррозионностойких, но также и электротехнических, конструкционных и других сталей. Для производства низкоуглеродистой хромоникелевой коррозионностойкой стали, высоколеги-рованных сплавов и обычной углеродистой стали в 1985 г. использовалось более 100 конвертеров аргонокислородного рафинирования вместимостью от 1 до 175 т [10].
К началу 1990 г. способом AOD производилось около 75% мирового производства коррозионностойких сталей. Продувка жидкого металла в заключительной стадии процесса чистым аргоном позволяет снизить газонасыщенность металла (контролировать со-держание азота) и стабильно получать содержание серы на уровне 50% при выплавке низколегированных и углеродистых сталей. Метод позволяет полу-чать в конвертере высокохромистые стали непосредственно из чугуна с ис-пользованием в качестве шихтового материала хромистой руды. Жидкий чу-гун подвергают вне-доменной обработке (обескремнивание, дефосфорация), после чего заливают в конвертер. В процессе продувки в конвертере осуще-ствляют обезуглероживание, десульфурацию и легирование хромом. Часть хрома вводя в металл с феррохромом, а часть – с хромистой рудой, оксиды которой восстанавливаются углеродом чугуна. С использованием AOD-процесса на одном из заводов Японии (компании Ратсо) организовали произ-водство коррозионностойкой стали из расплава никелевых и
хромистых руд. Никелевая руда с высоким содержанием железа подвергается дроблению, обогащению и предварительному нагреву в смеси с углеродистым восстано-вителем и в нагретом (~ 1000 °С) состоянии загружается в рудовосстанови-тельную печь, где получают Расплав с 13-15% Ni. Хромистую руду также подвергают предварительной обработке и в нагретом (~ 500 °С) состоянии загружают в рудовосстановшельную печь, где получают расплав с 40-43% Сг. Расплавы смешивают в ковше и заливают в AOD-конвертер, где подвер-гают аргонокислородной продувке
для получения специальных высокохро-мистых никельсодержащих коррозионностойких сталей. По сравнению с из-вестным способом получения таких сталей из скрапа по схеме дуговая элек-тропечь – конвертер аргонокислородной продувки затраты энергии в новом процессе ниже, содержание неметаллических включений и азота меньше, по-скольку используется первородная шихта и отсутствует образование атомар-ного азота в зоне электрических дуг. Возможности, которые появляются при использовании метода, аргоно-
кислородного рафинирования велики и в мировой практике создаются новые варианты процесса. В частности, разрабатываются варианты использования метода расплавления хромо – и никельсодержащего металлолома при вдува-нии в конвертер каменноугольной пыли с, последующей аргонокислородной продувкой расплава и получением коррозионностойкой стали. Влияние продувки металла на физические свойства расплава Внепечная обработка стали повышает свойства стали, улучшаются по-казатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических ха-рактеристик слитка и проката, поскольку при (такой обработке в стали сни-жается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических вклю-чений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований.
Во всех методах внепечной обработки расплавленный металл подвер-гается интенсивному и длительному перемешиванию, как это обычно приня-то считать, приводит к увеличению макрооднородности расплава по составу и температуре. Однако есть предположения, что длительное перемешивание должно способствовать достижению также и микроравновесного состояния расплавленной стали. Не исключено приближение к равновесию микроско-пических состояний расплава (это эквивалентно повышению однородности его структуры ближнего порядка) вызовет изменение физических
структур-но-чувствительных свойств и улучшит качественные характеристики рафи-нированного металла. По определению физических свойств металлических расплавов до и после внепечной обработки выполнено мало исследований. Подробные исследования по данному вопросу выполнены коллективом специалистов под руководством Б.А. Баума. Высоколегированные стали и сплавы выплавляли в электродуговых печах и продували в ковше аргоном, подаваемым через пористые трубки.
Общим для всех обработанных сталей и сплавов оказалось увеличение кинематической вязкости расплава на 10-20, плотности на 3-5 и поверхностного натяжения на 7-10%. Продувка сплава ЭИ602 аргоном привела к уменьшению параметра кристаллической решетки твердого раствора с 0,35664 до 0,35653 нм и возрастанию плотности с 8,3469 до 8,3595 г/см3, хотя концентрация газов и неметаллических включений по-сле продувки практически не изменялась. Во всех случаях после продувки возрастает ударная вязкость и пластические свойства металла. Общим для всех обработанных сталей является не только повышение их вязкости, но и увеличение удельной работы деформации, характеризующей вязкость мате-риала твердых образцов. Удельная работа деформации в области пластиче-ской деформации связана с трением взаимоперемещающихся плоскостей, т.е. с сопротивлением течению. Авторы исследования заключают, что обнару-женная корреляция
в изменении вязкости расплава и твердого металла при его пластической деформации связана с общностью механизмов рассеяния энергии. По мере повышения однородности расплава и соответственно уменьшения дефектности кристаллической структуры твердого образца ус-ловия для равномерного рассеяния механической энергии, сообщаемой сис-теме, оказываются более благоприятными. Локализация энергии в отдельных микросхемах затрудняется.
Пластичность и устойчивость металла по отно-шению к разрушающим нагрузкам возрастает. Итак, в них случаях установлено снижение вязкости стали после про-дувки, в других ее возрастание. Возможно, одной из причин этого является существенное различие состава исследованных сталей. Не исключено, что в сталях более простого состава, выплавленных без присадки значительного количества легирующих элементов и находящихся почти в микроравновес-ном состоянии, преобладает эффект снижения
вязкости в результате удале-ния неметаллических включений и газов. Для сложнолегированных сталей определяющим может явиться приближение к микроравновесному состоя-нию и изменение структуры ближнего порядка расплава под воздействием перемещения и образования развитой поверхности раздела, металл – газ. Проведено исследование с участием автора влияния продувки аргоном в ковше на изменение физических свойств стали 18Х2Н4МА. Сталь выплав-ляли в 10-т электродуговых печах Златоустовского металлургического завода (ЗлМЗ) по технологии с окислением. Аргон подавали в металл через порис-тую пробку в днище ковша под давлением при расходе 0,45-0,50 м3/мин в течение 3-12 мин. Образцы всех плавок до продувки металла аргоном имели практически одинаковые (в пределах точности измерения) исследованных физических свойств. Это позволяет сделать заключение о слабом влиянии изменений химического состава (в пределах марочного)
на свойства стали в жидком состоянии и сходстве структур ближнего порядка расплавов различ-ных плавок до продувки. Химический анализ проб металла, отобранных из ковша до и после продувки, показал, что при продувке аргоном химический состав стали практически не изменяется. Содержание кислорода в исходном металле всех плавок колебалось в пределах 0,0049-0,0078, азота 0,0071-0,00193%. После продувки содержание кислорода снизилось до 0,0034-0,0067, а азота – до 0,0049-0,0175%.
Степень удаления кислорода составила 5-50, азота 6-30%. Явной зависимости степени Удаления кислорода и азота из металла от продолжительности продувки не обнаружено, хотя газонасыщен-ность металла снижалась во всех случаях в большей или меньшей степени. Отмечено также закономерное снижение загрязненности стали неметалличе-скими включениями. Таким образом, физические свойства расплавов всех плавок до продув-ки были примерно одинаковы, химический
состав металла после продувки почти не изменился, а уменьшение газонасыщенности и загрязненности ме-талла должно, казалось бы, привести к снижению, а не к увеличению вязко-сти. Значит, только различием газонасыщенности и загрязненности металла нельзя объяснить различие физические свойства металла до и после продув-ки. Это позволило сделать заключение о возможном изменении структуры, порядка расплава в результате внешнего воздействия. Для объяснения полученных результатов можно исходить, из пред-ставлений Б.А. Баума о микронеравновесных состояниях металлических рас-плавов. Интенсивное перемешивание расплава при продувке улучшает усло-вия диффузии и способствует частичному разрушению существующих в рас-плаве не равновесных долгоживущих группировок сильно взаимодействую-щих частиц. Часть прочных внутренних связей в комплексах освобождается и принимает участие во взаимодействии
с окружающими комплекс струк-турными единицами расплава. Это приводит к увеличению средней энергии межчастичного взаимодействия, что проявляется в повышении поверхност-ного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения. Следствием этого является рост кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии взаимодействия и увеличение степени однородности расплава со-провождается
ростом плотности и магнитной восприимчивости. Как уже отмечалось, магнитные свойства переходных металлов и спла-вов на их основе определяются, в основном, характером ближнего порядка, дальний порядок здесь несуществен. Следовательно, продувка металла инертным газом, оказывая определенное влияние на структуру ближнего по-рядка расплава, влияет и на структуру ближнего порядка твердого металла: магнитная восприимчивость как жидкого, так и твердого металла изменяется практически одинаково при продувке.
Можно считать, что степень влияния продувки на структуру ближнего порядка твердого металла пропорциональна степени воздействия на расплав, т.е. степени приближения его к микроравно-весному состоянию. Качество металла также закономерно изменяется в зависимости от продолжительности продувки. Макроструктура с увеличением длительности продувки становится более плотной и однородной, уменьшается реальная пористость и усадочная рыхлость. Загрязненном стали неметаллическими включениями снижается, включения становятся более мелкими. Анализ из-ломов поперечных * продольных образцов на электронных микроскопах "Tsl BS540" и "Stereoscan S4-10" показал, что на плавках наряду с вязким наблю-даются значительные участки упкого разрушения, ответственными за кото-рые являются остаточно крупные включения. После продувки металла арго-ном в ковше количество включений и их размеры значительно уменьшаются.
Излом становится преимущественно вязким, доля участков хрупкого разру-шения снижается. В результате возрастает ударная вязкость металла. Однако заметных различий вида излома образцов металла после продувки в течение 5 и 10 мин не наблюдается. Таким образом, продувка металла газом в ковше приводит к измене-нию структуры ближнего порядка расплава и его физических свойств. Эти изменения в значительной степени обусловливают повышение качества ста-
ли после продувки. Закономерное (затухающее) изменение физических свойств в зависимости от продолжительности обработки позволяет выбрать оптимальное ее значение по наибольшему увеличению плотности, поверхно-стного натяжения или вязкости расплава. ЛИТЕРАТУРА 1. П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, "Физико-химические методы исследования металлургических процессов".
2. Л.А. Шварцман, А.А. Жуховицкий, "Начала физической химии для металлургов". 3. В.И. Жучков, А.С. Носков, "Растворение ферросплавов в жидком ме-талле". 4. Д.Я. Поволоцкий, "Раскисление стали". 5. В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, "Общая металлургия". 6. http: // www. bibliotekar. ru/index. htm