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: 49 из 88

Рис. 19.11. Диаграмма С—О для стали с 18 % Сг и 10%Ni:

1 — линия, характеризующая стехиометрическое соот­ношение углерода и кислорода в реакции С + '/2 ®г⁼ = СО; 2—5— зависимости между содержанием угле­рода и кислорода (2- 1800 "С, 101 кПа; 3— 1600 "С, 101 кПа; 4-1600'С, 13,3 кПа; 5-1600°С, 6,65 кПа); штриховые линии характеризуют равновесие реак­ции окисления хрома при различных температурах
чений, т. е. при вакуумировании ста­ли, содержащей углерод, обеспечива­ются благоприятные условия для во'с-становления хрома.

При обработке высокохромистого расплава следует учитывать, что при относительно низких температурах и атмосферном давлении не углерод, а хром определяет окисленность метал­ла, и если требуется окисление углеро­да, то количества кислорода, содержа­щегося в высокохромистом металле, может оказаться недостаточно для окисления углерода.

На диаграмме (см. рис. 19.11), по­казывающей соотношение количества углерода и кислорода для плавки ме­талла с 18 % Сг и 10 % Ni с учетом вли­яния давления СО и температуры, на­несены линии, характеризующие рав­новесные условия окисления хрома при разных температурах; нанесены также равновесные кривые обезугле­роживания для нелегированной стали при 1600 и 1800 ºС и давлениях от 0,1 МПа (1 атм) до 0,1 кПа (50 мм рт. ст.). Штрихпунктирная линия, пересекающая диаграмму, характеризует стехи­ометрическое соотношение масс уг­лерода и кислорода, взаимодейству­ющих по реакции С + ¹/₂О₂ = СО. Исходя из этой диаграммы, для по­лучения легированной стали, содер­жащей 0,1 % С, температура ванны должна быть 1810 ºС. При этом со­держание растворенного кислорода составляет -0,12%. При снижении равновесного давления СО соответ­ственно до 0,1 кПа (значение, реаль­но достигаемое на практике) содер­жание углерода уменьшается в на­правлении, параллельном штрихпунктирной линии стехиометрического соотношения С + '/2 О₂до 0,03 % С. Если температура расплава составля­ет 1650 ºС, то содержание кислорода (при 0,1 % С) определяется равно­весной кривой окисления хрома. По диаграмме это соответствует содер­жанию растворенного кислорода 0,035 %. При таком количестве кис­лорода содержание углерода в про­цессе вакуумирования может быть снижено лишь до 0,08 %.

Таким образом, для получения более низких содержаний углерода при вакуумировании необходимо либо повышение температуры (при этом содержание углерода должно быть снижено хотя бы до 0,1 %, что­бы было достаточное количество кислорода), либо снабжение металла кислородом (введение руды или га­зообразного кислорода). Второй путь предпочтительнее. Поскольку реак­ция обезуглероживания идет пре­имущественно на границе раздела фаз, желательно обеспечить хорошее перемешивание ванны. Чаще всего для этой цели используют способ продувки металла инертным газом через пористую пробку в днище ков­ша. На рис. 19.12 (см. на цветной вклейке) показан один из вариантов конструкции установки вакуум-кис­лородного обезуглероживания. Уста­новка оснащена транспортной систе­мой подачи легирующих материалов от бункеров в ковш через вакуумный затвор¹.
¹ Метод известен как VOD-процесс (см. сноску 1 на с. 293).

19.3. ПРОДУВКА МЕТАЛЛА ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ
Влияние продувки инертными газами на состав металла в известной мере аналогично обработке вакуумом. При продувке инертными газами массу ме­талла пронизывают тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых слу­жит своеобразной маленькой вакуум­ной камерой, так как парциальные давления водорода и азота в таком пу­зыре равны нулю. При продувке инер­тным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава. В тех случаях, когда по­верхность металла покрыта шлаком заданного состава, при перемешива­нии улучшаются условия протекания ассимиляции таким шлаком неметал­лических включений. Большое коли­чество пузырей инертного газа приво­дит к интенсификации процесса газовыделения, так как пузыри являются готовыми полостями с развитой по­верхностью раздела, что очень важно для образования новой фазы. Продув­ка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит теп­ло), поэтому продувку инертным га­зом часто используют для регулирова­ния температуры металла в ковше. Проведение операции продувки боль­ших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработ­ка вакуумом, поэтому, если это воз­можно, обработку вакуумом заменяют продувкой инертными газами через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор. Для процесса продувки металла инертными газами характерно: 1) уменьшение содержа­ния газов в металле; 2) интенсивное перемешивание расплава, улучшение условий протекания процессов пере­вода в шлак неметаллических включе­ний, при этом состав металла усред­няется; 3) улучшение условий проте­кания реакции окисления углерода; 4) снижение температуры металла.

Метод продувки инертными газами для повышения качества металла по­лучил промышленное распростране­ние по мере освоения технологии по­лучения больших количеств дешевого аргона как сопутствующего продукта при производстве кислорода. На кис­лородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если завод имеет мощную кислород­ную станцию, то объем попутно полу­чающегося аргона достаточен для об­работки больших количеств стали.

Для продувки металла, не содержа­щего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т. п.), часто используют азот. При 1550—1600 ºС 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 жидкой стали в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона может проис­ходить со скоростью 2,5—4,5 °С/мин (в технологии без продувки скорость охлаждения 0,5—1,0 °С/мин). При продувке тепло дополнительно расхо­дуется на нагрев инертного газа и из­лучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связа­на с увеличением теплового излуче­ния, поэтому используется такой про­стой и достаточно эффективный при­ем, как накрывание ковша крышкой при продувке. Этим одновременно до­стигается снижение степени окисле­ния обнажающегося при продувке ме­талла. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 19.13). 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.

Большое распространение получил способ продувки через устанавливае­мые в днище ковша пористые огне­упорные пробки: в тех случаях, когда продувку проводят одновременно че­рез несколько пробок, эффективность воздействия инертного газа на металл существенно возрастает. Пористые ог­неупорные пробки выдерживают не­сколько продувок. Наряду с высокой газопроницаемостью пористые проб­ки должны обладать огнеупорностью,



Рис. 19.13. Фурма в виде ложного стопора для продувки ме­талла в ковше



Рис. 19.14. Конструкция устройства пробки для подачи аргона в металл:

1 — пробка из гранул огнеупорного материала;

2— огнеупорный корпус; 3— пустотелый кирпич;

4 — огнеупорная фурма; 5— стальная трубка



Рис. 19.15. Схема движения газометалличес­ких потоков в ковше при продувке металла через пористые швы днища
достаточной для надежной работы при 1550—1650 °С, а также термической и химической стойкостью к металлу и шлаку. Один из вариантов конструк­ции пробки показан на рис. 19.14. Ис­пользование пробок данной конструк­ции обеспечивает интенсивное пере­мешивание металла.

Распространение получил также метод продувки металла через пористое днище ковша¹. Лучшим в эксплуа­тации оказалось днище из обычных огнеупоров с пористыми швами (рис. 19.15). Стойкость подобного днища такова, что оно служит всю кампанию ковша и заменяется только при ре­монте футеровки.

¹В зарубежной литературе такая техноло­гия обозначается SS (от англ, strongstirring— сильное перемешивание).

На рис. 19.16 приведена схема про­дувочной фурмы с газовой защитой. Через такую фурму можно вдувать также и порошки. Получают распрос­транение и другие способы. Степень протекания всех перечисленных выше процессов зависит от продолжитель­ности продувки и от ее интенсивности (т. е. в конечном счете от расхода инертного газа):

1) продувка ерасходом газа до 0,5 м³/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла;

2) продувка с интенсивностью до 1,0м³/т влияет на удаление из металла неметалличес­ких включений;

3)для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2—3 м³/т металла.

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 с об-



Рис. 19.16. Схема про­дувочной фурмы с га­зовой защитой:

1 — фурма; 2 — подвод газа на продувку; 3 — конус; 4 — подвод газа на струй­ную защиту; 5— футеров­ка; 6— крепление конуса; 7— продувочное сопло



Рис. 19.17. Схема САВ-процесса:

/ — 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 аргона

работкой шлаком способствует повы­шению эффективности использования шлаковых смесей, так как при ин­тенсивном перемешивании при про­дувке увеличиваются продолжитель-



Рис. 19.18. Схема SAB-процесса:

1 — ковш с металлом; 2— погружной огнеупорный колпак; 3 — отверстие для подачи материалов; 4 — синтетический шлак; 5 — окислительный шлак; 6— шиберный затвор; 7—пористая пробка для введе­ния аргона
ность контакта и сама поверхность контакта металла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то при условии создания атмосферы инертного газа в пространстве между крышкой и поверхностью шлака ме­талл будет защищен от окисления, а снижение потерь тепла позволит уве­личить время контакта металла с жид­ким шлаком. На этом принципе осно­вана разработанная на одном из заво­дов Японии технология так называе­мого CAB '-процесса. Как видно из рис. 19.17, в данной технологии пре­дусмотрено наличие на поверхности металла в ковше синтетического шла­ка заданного состава. В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает окисленный конечный шлак, применим метод, названный в Японии SAB ²-процессом (рис. 19.18). Введение в металл добавок в нейт­ральной атмосфере и хорошее их усво­ение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается при несколько усложненном способе за­щиты зоны продувки — это так назы­ваемый САS³-процесс. По этому способу в ковш сверху вводят огнеупор­ный колпак, закрытый снизу расплав­ляющимся металлическим конусом таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак. Через колпак вводят ферросплавы, снизу в ковш по­дают аргон для продувки. Этот метод позволяет достичь высокой степени усвоения элементов, вводимых с до­бавками в металл (рис. 19.19).
¹ От англ, capped argon bubbling.

² От англ, sealed argon bubbling.

³ Compositionadjustmentbysealed— регули­рование состава при «закрытой» продувке ар­гоном.



Рис. 19.19. Схема CAS-процесса:

1— ковш с металлом; 2 — погружной колпак из вы­сокоглиноземистых огнеупоров; 3— отверстие для отбора проб; 4 — люк для введения ферросплавов; 5—расплавляющийся конус из листовой стали, препятствующий попаданию шлака при опускании колпака в металл; 6— пористая пробка для введения аргона

На рис. 19.20 представлена схема CAS-установки усложненной конст­рукции, смонтированной в конвертер­ном цехе завода фирмы Wheeling Pittsburgh Steel (США). На этой уста­новке предусмотрена возможность по­догрева стали за счет теплоты реакции окисления кислородом вводимого в металл алюминия. Установка названа CAS-OB¹.

В тех случаях, когда необходимо перемешивать металл в ковше под шлаком длительное время, в крышку ковша опускают электроды и подогре­вают ванну. При этом исключается ис­пользование обычного шамота в каче­стве огнеупорного материала ковша, так как продолжительный контакт жидкоподвижного высокоосновного шлака с шамотной футеровкой, состоящей из кремнезема и глинозема, при­ведет к быстрому выходу футеровки из строя. Ковш футеруют основными высокоогнеупорными материалами.
¹ От англ. CAS-Oxygen Blowing (см. снос­ку 3 на с. 297).


Рис. 19.20. Схема установки CAS-OB:

1 — Фурма для продувки кислородом с нагревом ста­ли; 2 — желоб для подачи легирующих; 3 — дымо­ход; 4 — фурма для вдувания порошков; 5 — устрой­ство для подъема колпака; 6— струя кислорода; 7— колпак; 8 — перемешивающий газ; 9—пористая пробка



Рис. 19.21. Совершенствование конструкции сталеразливочных ковшей и методов продув­ки металла инертным газом:

а — ковш, снабженный затвором шиберного типа; б— продувка газа через днище; в — подача газа сни­зу через стенку ковша; г — продувка через ложный стопор; д — продувка металла в ковше, накрытом крышкой; г — интенсивная продувка через ряд фурм или пористое днище; ж — продувка снизу в ковше с крышкой, через которую вводят добавки; з — про­дувка в ковше под вакуумом
ящей из кремнезема и глинозема, при­ведет к быстрому выходу футеровки из строя. Ковш футеруют основными высокоогнеупорными материалами.

Сочетание продувки инертным газом с заменой футеровки ковша позволяет добиться заметного снижения загряз­нения металла кислородом. Если при обычной технологии для раскислен­ной алюминием стали произведение [А1]²-[О]³ достигает значения 10 ^-8— 10 ^-9, то при использовании ковшей с основной футеровкой при продувке аргоном оно составляет 10 ^-11.

На рис. 19.21 отражена эволюция методов продувки металла инертным газом.
19.4. АРГОНО-КИСЛОРОДНАЯ ПРОДУВКА
Влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления СО, образующегося при окислении углерода, использовано при разработке такого процесса, как аргоно-кислородное обезуглерожива­ние, или аргоно-кислородное рафи­нирование (АКР)¹. При продувке ме­талла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2 О₂(_Г) = СО_Г определяется пар­циальным давлением кислорода и об­разующегося СО. Продувка металла смесью кислорода с аргоном приводит к «разбавлению» пузырей СО аргоном и к соответствующему сдвигу равнове­сия реакции вправо. Окислительный потенциал газовой фазы при этом до­статочен для проведения реакций окисления примесей ванны. Метод аргоно-кислородной продувки широ­ко используют при производстве кор-розионностойких и других хромсо-держащих сталей. Равновесие реакции (Сг₂О₃) + 3[С] = 2[Сг] + ЗСО_Г при уменьшении парциального давления монооксида углерода р_со сдвигается вправо; в результате обеспечивается хорошее усвоение кислорода.
¹ Процесс известен также как AOD-npo-цесс (argon-oxygen-decarburisation).
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 аргоно-кислородной продувки не обеспечивает получение таких особо низких концентраций углерода, как способ вакуум-кислородного обезуг­лероживания; степень использования хрома при аргоно-кислородной про­дувке несколько ниже. Тем не менее способ аргоно-кислородной продув­ки, обеспечивающий достижение на более простых агрегатах лучшей про­изводительности, получил широкое распространение.

Наиболее распространенный вари­ант конструкции AOD-конвертера по­казан на рис. 19.22.

Фурма для подачи дутья обычно состоит из двух концентрических труб. По внутренней трубе подают смесь кислорода и аргона, а по коль­цевому зазору — аргон, служащий за­щитным газом. Соотношение расхо­дов кислорода и аргона изменяют в процессе продувки, добиваясь макси­мального окисления углерода и мини­мального окисления хрома. Обычно соотношение расходов О₂: Аг на пер­вой, второй и третьей стадиях продув­ки поддерживают на уровне соответ­ственно 3 : 1; 1 : 1 и 1 : 3 (рис. 19.23).

Для снижения стоимости передела на первой стадии продувки вместо ар­гона можно вдувать азот. После окон­чания третьей стадии ванну продувают чистым аргоном для возможно боль-