Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 47 из 88

Часть четвертая

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

СТАЛИ ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Качество стали — это постоянно дей­ствующий фактор, который на всех исторических этапах побуждал метал­лургов искать новые технологии и но­вые инженерные решения. Ограни­ченные возможности регулирования физических и физико-химических ус­ловий протекания процессов плавки в традиционных сталеплавильных агре­гатах (конвертерах, дуговых, марте­новских и двухванных печах) привели к созданию новых сталеплавильных процессов, комплексных технологий, обеспечивающих получение особо чи­стых по содержанию нежелательных примесей марок стали. В качестве примеров можно привести внепечную обработку стали как элемент нового технологического комплекса (другими ее названиями являются: внеагрегат-ная обработка, вторичная металлур­гия, ковшевая обработка, ковшевое рафинирование и др.) или новые ме­тоды воздействия на кристаллизую­щийся металл, переплавные процессы и т. д.

При этом, когда речь идет о но­вых технологиях конвертерного про­изводства, новых технологиях элект­росталеплавильного производства и новых методах разливки стали, под­разумевается одновременно и нали­чие новых методов обработки стали после выпуска ее из сталеплавильно­го агрегата.

19. ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ
В тех случаях, когда технологические операции, обеспечивающие получе­ние металла требуемого качества, не­посредственно в самом агрегате при­водят к потере его производительнос­ти, их выполняют во вспомогательной емкости (ковше или др.), т. е. перево­дят в разряд внепечной, или вторичной, металлургии. Основную цель вторич­ной металлургии можно сформулиро­вать как осуществление ряда техноло­гических операций в специальных аг­регатах быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных пе­чах.

В настоящее время методами внепечной металлургии обрабатывают сотни миллионов тонн стали массово­го назначения. Установки для внепеч­ной обработки имеются практически на всех заводах качественной метал­лургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых печах и конвертерах. О масш­табах применения методов вторичной металлургии и причинах этого можно судить, отталкиваясь от следующих конкретных проблем.

1. Внепечная обработка и разливка. Практика показала, что эффективная работа установок непрерывной раз­ливки обеспечивается лишь в тех слу­чаях, когда мы имеем дело с чистой (прежде всего по содержанию серы) сталью стандартно-высокого качества по составу и температуре от плавки к плавке. Внепечная обработка стали обеспечивает эти условия.

2. Внепечная обработка и работа конвертеров. Переход в конвертерном производстве на использование более дешевого низкокремнистого и мало­марганцовистого чугуна (малошлако­вая или безшлаковая технология кон­вертерной плавки) эффективен лишь в том случае, когда выпускаемый из конвертера металл дополнительно ра­финируется вне агрегата. Это рафини­рование обеспечивает внепечная об­работка.

3. Внепечная обработка и ферро­сплавы. При наличии внепечной обра­ботки можно использовать более де­шевые и менее дефицитные ферро­сплавы, в частности высокоуглеродис­тые ферросплавы при производстве низкоуглеродистых марок стали.

4. Внепечная обработка и прямое ле­гирование. При организации методов внепечной обработки появляется воз­можность во многих случаях исполь­зовать способы прямого легирования или обходиться вообще без расхода ферросплавов (путем использования природно-легированных руд, шлаков ферросплавного производства и отхо­дов других производств, таких, напри­мер, как абразивное и др.).

5. Внепечная обработка и работа ду­говых печей. При наличии внепечной обработки возрастает эффективность использования нового мощного элект­ротехнического оборудования (прежде всего трансформаторов), обеспечива­ются условия для достижения высокой производительности труда, что осо­бенно важно при высоком уровне за­работной платы. Кроме того, появля­ется возможность иметь более ком­пактно спланированные цехи, облег­чаются условия для улавливания вредных пылегазовых выделений и выбросов и др.

6. Внепечная обработка и новые мар­ки стали. Разработка и совершенство­вание методов внепечной обработки способствуют появлению и организа­ции производства новых марок стали с особо низким (< 0,01 %) содержани­ем углерода, низким (< 0,002 %) со­держанием серы и весьма низким со­держанием газов (IF-стали, некото­рые новые марки нержавеющей стали и др.).

7. Внепечная обработка и эффектив­ность использования металла. В данном случае имеется в виду связь между ка­чеством выплавляемого металла и на­дежностью получаемых из него изде­лий. О важности этой взаимосвязи можно судить на следующих приме­рах:

а) фактические нагрузки, действу­ющие на металлоизделия, могут зна­чительно отличаться от тех, которые приняты для расчета (в частности, расчеты формы и массы изделия);

б) свойства (качество) металла так­же могут отличаться от стандарта;

в) факторы, снижающие прочность (перегрузки, неоднородность материа­ла и т. п.), часто носят форсмажорный (случайный) характер и предваритель­но не могут быть учтены;

г) принимаемые на стадии конст­руирования меры предосторожности подчинены принципу, в соответствии с которым испытываемые деталями, изделиями напряжения должны быть ниже тех предельных напряжений, при которых может произойти разру­шение или возникнуть пластическая деформация: [] = _пр/[п], где []— допускаемые напряжения; _пр — пре­дельно допустимые напряжения; [п] — нормативный коэффициент запаса прочности (или коэффициент без­опасности).

При статических нагрузках в каче­стве величины а_пр берутся значения предела прочности для хрупких мате­риалов и предела текучести для плас­тичных материалов.

Величина коэффициента [п] скла­дывается из ряда составляющих — част­ных коэффициентов запаса, каждый из которых отражает влияние какогото фактора, т.е. [п] = [п₁] • [п₂] _∙ [п₃].... Обычно величина [п₁]отражает откло­нение реальных механических харак­теристик, колебания нагрузок, т. е. значение [п₁] от деятельности метал­лургов (от технологии производства металла) не зависит. Коэффициент [п₂] учитывает неоднородность мате­риала (от металлургов очень зависит), недостатки механической обработки и т.п. Коэффициент [п₃] учитывает условия работы (эксплуатации) обору­дования, степень ответственности из­делия и т. п. Значения коэффициента [п₂] колеблются в пределах 2—6, коэф­фициента [п₃] — в пределах 1,0—1,5.

Внепечная обработка обеспечивает получение металла высокой чистоты, содержащего минимум газов и неме­таллических включений, что позволя­ет заметно снизить величину коэффи­циента запаса. Практически это дает возможность " существенно снизить массу (расход) металла при изготовле­нии оборудования, уменьшить вес ма­шин, станков и т. п. В свою очередь, это приводит к снижению расходаэнергии при работе этого оборудова­ния и машин и т. д.

Таким образом, уверенность в ка­честве и надежности получаемого ме­талла и его однородности при исполь­зовании методов внепечной обработ­ки существенно возрастает.

8. Внепечная обработка и качество используемой металлошихты. Возмож­ности получения стали той или иной степени чистоты существенно разли­чаются для условий конвертерного и электросталеплавильного произ­водств. Конвертерное производство имеет то преимущество, что шихта со­стоит в основном из жидкого чугуна, не содержащего обычно примесей цвет­ных металлов (по крайней мере, замет­ного их количества). Однако чугун со­держит некоторое количество таких примесей, как сера и фосфор. В настоя­щее время металлурги располагают проверенными на практике способами внепечной (внедоменной) обработки чугуна, обеспечивающими эффектив­ное удаление серы и фосфора. Развитие комплексных технологий внепечной обработки чугуна и стали позволяет для каждой группы марок стали выбрать оптимальную технологию, включаю­щую одну или несколько операций од­новременно (в зависимости от требуе­мой чистоты стали по фосфору, сере, содержанию газов, примесей цветных металлов, а также от затрат на проведе­ние отдельных операций в конкретных местных условиях).

Электросталеплавильное производ­ство связано с использованием в каче­стве металлошихты в основном метал­лолома. Отдельные виды металлолома содержат заметную долю примесей цветных металлов. При этом часть этих примесей удаляется в процессе плавки и задерживается пылеулавли­вающими устройствами (например, цинк, свинец, кадмий и др.). Получа­ют распространение технологии пред­варительной обработки металлолома с целью извлечения этих примесей. В данных случаях создаются комплекс­ные технологии внепечной обработки металлолома и жидкой стали.

9. Внепечная обработка — основные технологические приемы. Современные сталеплавильные технологии с исполь­зованием методов внепечной обработки основываются на использовании следующих технологических приемов:

а) обработка металла вакуумом;

б) продувка металла инертными га­зами;

в) одновременная обработка вакуу­мом и инертными газами;

г) одновременная обработка вакуу­мом и продувка кислородом;

д) одновременная продувка инерт­ными газами и кислородом;

е) обработка твердыми шлаковыми смесями;

ж) обработка жидкими шлаками;

з) одновременная обработка жид­кими синтетическими шлаками и инертными газами;

и) комплексная обработка металла вакуумом, кислородом, инертными га­зами и шлаковыми смесями;

к) вдувание в глубь металла порош­кообразных реагентов;

л) введение в глубь металла реаген­тов в виде композитных блоков, про­волоки и т. п.

10. Распространение внепечной об­работки стали. Перечисленные выше и многие другие достоинства сталепла­вильных технологий с использованием методов внепечной обработки приве­ли к тому, что на современном этапе развития металлургии работа стале­плавильных цехов немыслима без внепечной обработки; практически вся сталь, производимая в мире, подверга­ется тому или иному приему внепеч­ной обработки.

19.1. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ВАКУУМОМ
Обработка металла вакуумом (сниже­ние давления над расплавом) влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза образуется, в част­ности, в результате реакции окисления углерода, при протекании процессов выделения растворенных в металле во­дорода и азота, а также процессов испа­рения примесей цветных металлов. Об­работка вакуумом воздействует на ха­рактер протекания именно этих реак­ций. Одной из важнейших целей обработки вакуумом является сниже­ние содержания газов в стали.

19.1.1. Удаление кислорода. Непо­средственное удаление из стали ра­створенного в ней кислорода путем внепечной вакуумной обработки осу­ществить очень трудно (практически невозможно), так как для этого необ­ходимо обеспечить очень низкое дав­ление в вакуумной камере (<0,6 мПа). Практически наблюдаемое снижение содержания кислорода в сталепла­вильной ванне при вакуумировании имеет место в результате всплывания оксидных неметаллических включе­ний, а также взаимодействия кислоро­да, растворенного в металле и входя­щего в состав оксидных включений, с углеродом. Равновесие реакции [С] + [О] = СО_Г при обработке вакуу­мом сдвигается вправо; кислород вза­имодействует с углеродом, образуя минооксид углерода; содержание кис­лорода в металле уменьшается. В тех случаях, когда кислород в металле на­ходится в составе оксидных неметал­лических включений, снижение дав­ления над расплавом приводит в ре­зультате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений:

(МеО) + [С] = [Me] + СО_Г;

Р_СОа_{[Ме ]}

К = а_(МеО) а _{[С ]}

Откуда
а_(МеО) = 1/К ∙ Р_(СО) а_[Mn] / а_[С]
т. е. чем ниже р_со, тем меньше остает­ся в металле оксидных включений. Менее прочные включения, такие, на­пример, как МпО или Сг₂О₃, восста­навливаются (углеродом) в вакууме почти полностью; для восстановления более прочных включений, например А1₂О₃ или ТіО₂, требуется очень глубо­кий вакуум. Несмотря на то что для получения низких концентраций кис­лорода в металле путем вакуумирова-ния требуется достаточно длительная обработка вакуумом, этот метод ис­пользуют, особенно если стремятся получить сталь, чистую от продуктов раскисления.

Например, особенно важны удале­ние кислорода из металла и перевод продуктов раскисления в газовую фазу при изготовлении крупных слит­ков для поковок. На рис. 19.1, а пред­ставлены результаты исследования





Рис. 19.1. Влияние вакуумирования на дега­зацию стали:

а — изменение активности кислорода а _[О] и общего его содержания [О] в металле в процессе вакуумной обработки; б—кинетика газовыделения при вакуу­мировании низкоуглеродистой (1), среднеуглеродистой (2) и высокоуглеродистой (3) стали; в —зави­симость количества удаляемого при вакуумирова­нии водорода от количества выгорающего углерода (кривая 1 и точки — общее количество водорода, удаляемого из металла и шлака; 2—средние значе­ния количества водорода, удаляемого из металла)

процесса удаления кислорода из ме­талла при вакуум-углеродном раскис­лении Cr – Ni - Mo – V - стали и отливке очень крупных 350-т кузнечных слит­ков. Видно, что через 30 мин после на­чала обработки из металла практичес­ки полностью удаляются оксидные включения, что в значительной мере определяет высокую степень изотроп­ности свойств поковки. Метод рафи­нирования стали от кислорода и ок­сидных включений при вакуумирова­нии и организации взаимодействия с растворенным в металле углеродом ча­сто называют углеродным раскислением. Достоинство этого метода заключает­ся в возможности получения более чи­стого от включений металла, посколь­ку продукты раскисления удаляются в газовую фазу.

19.1.2. Удаление водорода. Сниже­ние содержания водорода в сталепла­вильной ванне при вакуумировании является результатом следующих про­цессов:

1) всплывания гидридных неметал­лических включений (в сплавах при содержании в них гидридообразующих элементов);

2) выделения пузырей водорода, зарождающихся в ванне (в случае вы­сокого содержания водорода в метал­ле, при котором создаются условия, необходимые для преодоления сил по­верхностного натяжения и ферроста-тического давления), на поверхности футеровки или на неметаллических включениях;

3) десорбции газа с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности ванны, к которой атомы газа перемещаются в результате диф­фузии или конвекции;

4) десорбции водорода с поверхно­сти пузырей СО внутрь и выноса из ванны в пузырьках СО (в случае обра­зования СО при вакуумировании);

5) десорбции газа с поверхности пузырей аргона внутрь и выноса из ванны в случае продувки металла ар­гоном.

Содержание водорода в железе оп­ределяется при прочих равных услови­ях давлением водорода в газовой фазе

[H] = p_H2. При снижении давления над расплавом равновесие реакции 2[Н] = Н₂(_Г) сдвигается вправо. Водо­род в жидкой стали обладает большой подвижностью; коэффициент диффу­зии водорода достаточно велик, D_H = (1—8) • 10 ^-3см2/с. В результате ва­куумирования значительная часть со­держащегося в металле водорода быс­тро удаляется из металла. Можно счи­тать, что после обработки вакуумом содержание водорода снижается до 1— 2 см³/1Ш)г, т. е. до концентраций, при которых не имеет места образова­ние флокенов и других дефектов. Практика показала, что при достиже­нии давления в вакууматоре 66,6 Па обеспечивается достаточно полное удаление водорода.

19.1.3. Удаление азота. Снижение содержания азота при вакуумирова­нии происходит в результате следую­щих процессов:

1) всплывания нитридных неметал­лических включений в сталях и спла­вах, содержащих нитридообразующие элементы;

2) выделения пузырей азота, за­рождающихся в ванне (в случае высо­кого содержания азота в металле, при котором создаются условия, необхо­димые для преодоления сил поверхно­стного натяжения и ферростатического давления) на поверхности футеров­ки или неметаллических включений;

3) десорбции газа с открытой (или открывающейся при перемешивании) поверхности, к которой атомы газа пе­ремещаются в результате диффузии или конвекции;

4) десорбции азота с поверхности пузырей СО внутрь и вынос из ванны вместе с этими пузырями;

5) десорбции азота с поверхности пузырей аргона внутрь в случае про­дувки металла аргоном.

Равновесие реакции 2[N] = N₂(_r), подчиняющейся закону квадратного

корня [N]=kP_N2, при снижении дав­ления сдвигается вправо, однако азот в металле менее подвижен, чем водо­род, коэффициент диффузии его в жидком железе на два порядка ниже: d_N = (4-7) • 10 ^-5 см²/с, поэтому ин­тенсивность удаления азота из распла­ва под вакуумом значительно ниже, чем водорода. Удалению азота препят­ствует также и присутствие таких эле- ментов, как хром, ниобий, ванадий, титан, имеющих более высокое, чем у железа, химическое сродство к азоту.

Для обеспечения достаточной сте­пени удаления азота из металла требу­ются более глубокий вакуум и боль­шая продолжительность выдержки, чем в случае удаления водорода. При непродолжительном вакуумировании содержание азота снижается незначи­тельно. Кинетика удаления азота (как и водорода) определяется условиями протекания основных стадий процес­са, таких, как: 1) перенос атомов газа к поверхности раздела металл—газ; 2) диффузия через тонкий диффузи­онный слой, в котором отсутствует гидродинамическое перемешивание (чем интенсивнее перемешивание ванны, тем меньше толщина диффу­зионного слоя); 3) адсорбция атомов газа в поверхностном адсорбционном слое; 4) реакция молизации и образо­вание молекул 2N_aдc = N₂ (для водоро­да 2H_адс=H2); 5) десорбция образо­вавшихся молекул в газовую фазу; 6) отвод продуктов (молекул газа) от поверхности.

Таким образом, результирующая скорость зависит от ряда факторов, действующих часто одновременно.

Большое значение имеет интенсив­ность перемешивания ванны и связан­ная с этим удельная поверхность F/V(отношение поверхности к объему об­рабатываемого металла): чем больше значение F/V, тем интенсивнее дегаза­ция. Большое значение имеет также присутствие поверхностно-активных примесей, блокирующих поверхность металл—газ и препятствующих про­цессу удаления азота. К числу таких примесей относятся прежде всего кислород и сера, поэтому процессы раскисления и десульфурации металла способствуют развитию деазотизации при вакуумировании. Процесс рафи­нирования металла под вакуумом ус­коряется, если одновременно развива­ется процесс выделения пузырей СО. Эти пузырьки интенсивно перемеши­вают металл и сами являются допол­нительными маленькими вакуумными камерами, так как в пузыре СО парци­альные давления водорода и азота рав­ны нулю (Р_Н2 =0 и Р _N2 =0).