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: 54 из 88

19.10. МЕТОДЫ ОТДЕЛЕНИЯ ШЛАКА ОТ МЕТАЛЛА

(«ОТСЕЧКА» ШЛАКА)
Одними из важных элементов успеш­ного проведения операций внепечной обработки являются контроль и регу­лирование количества шлака, попада­ющего при выпуске в ковш. Конеч­ный шлак может содержать значитель­ное количество оксидов железа, со­единений фосфора, серы, газы. Такой шлак не должен попадать в ковш и да­лее на установку внепечной обработ­ки. Попадание такого шлака в ковш делает внепечную обработку стали не­эффективной.

Методы удаления шлака с поверх­ности металла в ковше (установка ковша на платформу, оборудованную устройствами для наклона, конструи­рование специальных гребков, спосо­бы вакуумного отсоса или скачивания шлака с поверхности и т. п.) сложны (рис. 19.54) и далеко не всегда эффек­тивны. Кроме того, при использова­нии таких способов вместе со шлаком теряется некоторое количество ме­талла.

Наиболее сложно организовать отсечку шлака на стационарных мар­теновских печах. На рис. 19.55 пока­зано устройство, сконструированное на Макеевском металлургическом комбинате. В момент появления шлака заслонку 3 поворачивают и ус­танавливают под оптимальным углом к потоку жидкой стали. Меняя угол установки заслонки в зависимости от расхода истекающего металла, доби­ваются подъема уровня шлака в при­емной части желоба до донной части сливного носка, по которому печной шлак отводится в приемную шлако­вую чашу. Имеются и другие вариан­ты подобных конструкций. Широко­го применения они не нашли.

В дуговых печах ситуация меня­лась по мере совершенствования кон­струкции печей: традиционная -»с сифонным (чайниковым) выпус­ком —> с эркерным выпуском —> с донным выпуском. Донный выпуск с оставлением части металла в печи обеспечивает идеальные условия для полной отсечки шлака. В конвер­терных процессах использовались обычно простые приемы работы: или загущение шлака подсадками извести, доломита, или путем «под­рыва» струи (быстрый подъем кон­вертера в момент схода шлака). В настоящее время используются бо­лее современные способы: или пневматическая пробка (рис. 19.56), или керамическая плавающая проб­ка (рис. 19.57).

Разрабатываются также способы отсечки шлака с помощью устройств





Рис. 19.55. Конструкция желоба для бесшла­кового выпуска стали из печи:

1 — корпус желоба; 2— шлакоотводящий носок; 3 — поворотная заслонка; 4— привод поворота заслонки



Рис. 19.56. Пневматическая пробка для отсечки шлака в конвертере



Рис. 19.57. Схема отделения шлака от металла при выпуске плавки из

конвертера:

а и б— варианты технологии; 1 — плавающая керамическая пробка; 2 — лоток для ввода пробки в конвертер; 3 — граница шлак-металл



Рис. 19.58. Схема отделения шлака от метал­ла через промежуточную емкость:

а — разрез сталеразливочного ковша и промежуточ­ного ковша в момент окончания выпуска; б — нача­ло выпуска; в —окончание выпуска; 1— шлак; 2 — огнеупорный шар — отсекатель шлака; 3— сталь
шиберного типа. В процессе разливки иногда используют способ задержки шлака в специальной емкости¹. Суть метода ясна из схемы на рис. 19.58. Промежуточную футерованную из­нутри и снаружи емкость, имеющую в нижней части отверстие, устанав­ливают перед выпуском плавки на сталеразливочном ковше таким об­разом, что в начале выпуска металл из конвертера попадает непосред­ственно в сталеразливочный ковш (рис. 19.58, б), а в конце выпуска, когда вместе с металлом увлекается и шлак, металл попадает уже в проме­жуточную емкость (рис. 19.58, в). Когда из сталевыпускного отверстия начинает вытекать один шлак, кон­вертер поворачивают в вертикальное положение, а в промежуточную ем­кость помещают шар, плотность ко­торого такова, что он плавает на гра­нице между шлаком и металлом. Промежуточную емкость поднимают краном, металл стекает в ковш, шар перекрывает отверстие в дне проме­жуточной емкости, и шлак в стале­разливочный ковш почти не попада­ет. Рефосфорация при такой техно­логии составляет всего 0,002 % Р.
¹ От англ, slag-cup-pot— шлак через гор­шок. Название метода дано фирмой Японии, которая его использует.
19.11. ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ НА УНРС
Внепечная обработка стали на уста­новках непрерывной разливки осуще­ствляется посредством комплекса сле­дующих основных мер.

1. Увеличение емкости и глубины промежуточного ковша. Промежуточ­ные ковши УНРС, построенные в пос­ледние годы, вмещают не менее 50т металла и имеют глубину ванны 1,0— 1,5м и более. Крупный ковш обеспе­чивает постоянную скорость разливки при смене сталеразливочного ковша без опасения затягивания шлака в кристаллизатор, а также при его при­менении облегчаются условия всплы-вания неметаллических включений.

2. Заливка стали из сталеразливоч­ного ковша в промежуточный произ­водится через удлиненный погружной стакан с поддувом инертного газа. Это исключает контакт струи металла с ат­мосферой.

3. Промежуточный ковш накрыва­ют крышкой и благодаря подаче газа под крышку создают над ванной вос­становительную или нейтральную ат­мосферу с целью исключить контакт металла с атмосферой.

4. На поверхности металла в про­межуточном ковше наводят присадка­ми флюса шлак, способный абсорби­ровать всплывающие включения и препятствовать насыщению металла газами из атмосферы.

5. Осуществляют продувку металла аргоном (через пористые блоки или вставки в днище ковша, подачей газа непосредственно в стакан, через сто­пор и т. д.). Задача — обеспечить необ­ходимое перемешивание и движение металла в ковше, дегазировать металл, организовать флотацию неметалли­ческих включений.

6. Обеспечивают регулирование температуры в ковше и постоянную степень нагрева металла в процессе непрерывной разливки. Снижение температуры металла осуществляется продувкой аргоном или подачей ме­таллической дроби; для повышения температуры используют плазменные горелки, опускаемые через крышку ковша или устройства типа канально­го индуктора.

7. В промежуточных ковшах уста­навливают перегородки и пороги, обеспечивающие лучшее рафинирова­ние металла от включений (см. гл. 20).

Изложенный материал свидетель­ствует о чрезвычайном многообразии методов внепечной обработки стали и используемого оборудования.

19.11.1. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали. Появление новых технологий, способ­ных обеспечить глубокое рафинирова­ние как чугуна, так и стали, позволяет по-новому организовать весь техноло­гический процесс получения стали, включая выбор метода внепечной об­работки. На заводе Kobe Steel (Япо­ния) предварительно обескремнен-ный чугун заливается в ковш и посту­пает на установку, оборудованную двумя фурмами, одна из которых предназначена для подачи реагентов в глубь металла. После проведения дефосфорации и десульфурации ска­чивают шлак и металл переливают в конвертер для продувки на сталь. По­лученную сталь рафинируют на уста­новке ковш—печь, вводят реагенты-десульфураторы и вакуумируют. Та­кая комплексная технология позволя­ет получать сталь с суммарным содержанием [Р] + [S] < 0,005 %.

На заводе Oxelosund (Швеция) в чугуновозных ковшах миксерного типа проводят продувку чугуна сме­сью СаС₂-СаСО₃ в струе азота; при этом содержание серы снижается с 0,05-0,07 % примерно в 10 раз. Для стали многих марок после продувки такого чугуна в конвертере комбини­рованного дутья внепечной обработки с целью десульфурации вообще не требовалось. Все марки стали на заво­де были разбиты на четыре группы по содержанию серы. Для каждой группы определена своя технология внепеч­ной обработки: для 1-й —«облегчен­ная» обработка жидкого чугуна; для 2-й — «глубокая» обработка чугуна; для 3-й и 4-й групп — внепечная обра­ботка стали.

Таким образом, развитие методов внепечной обработки чугуна и стали позволяет для стали каждой группы марок определять содержание конк­ретной технологии комплексной обра­ботки. В зависимости от требуемой чистоты стали по фосфору, сере, со­держанию газов, примесей цветных металлов, а также в зависимости от затрат на проведение отдельных опе­раций в конкретных местных условиях технология комплексной обработки будет включать ту или иную операцию или несколько операций одновремен­но. В тех случаях, когда необходимая чистота металла обеспечивается вне-печной обработкой чугуна или специ­альным подбором металлошихты, вносятся коррективы в технологию внепечной обработки стали вплоть до отказа от проведения некоторых опе­раций.

20. ФЛОТАЦИЯ И ФИЛЬТРАЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ
Инженерные решения последних лет позволили добиться заметных ус­пехов в решении важнейшей для каче­ства стали проблемы рафинирования от неметаллических включений. Про­блема рафинирования металла от включений традиционно решалась пу­тем рациональной организации про­цессов, связанных с образованием включений (раскисление, десульфура-ция), и процессов, обеспечивающих абсорбцию образующихся включений шлаком. Широкое внедрение методов продувки металла инертным газом по­зволило организовать флотацию вклю­чений (см. разд. 13.2).

Метод фильтрации включений вна­чале получил распространение при производстве отливок ответственного назначения из высоколегированных сталей, особенно в случаях, когда сталь обрабатывается высокоактивны­ми реагентами. Так, например, при использовании фильтров из гранул-окатышей СеО₂, размещенных в раз­ливочной воронке, была повышена ударная вязкость при —50 º С стали 20Л, обработанной РЗМ, на 30-50 %. Использование керамических фильт­ров (зачастую совместно с продувкой аргоном) позволило решать такие проблемы в комплексе с одновременным использованием фильтрации. В то время как при. флотации легче и быстрее удаляются более крупные (или легкоукрупняющиеся) включе­ния, метод фильтрации оказывается очень эффективным для удаления мелких включений, которые с трудом отделяются в процессе флотации.

В настоящее время комплексное использование методов флотации и фильтрации включений постепенно становится повсеместной практикой.

Газовые пузыри, проходящие через ванну, при продувке металла инерт­ным газом способствуют флотации включений. Поверхностное натяже­ние _вкл._газ меньше адгезии включения к металлу _м._вкл. В результате того что _{вкл-газ} < _м__вкл, включение будет «при­липать» к пузырю газа и уноситься с ним в шлак. Приходится учитывать, однако, что эффективность флотации включений путем газовой «промывки» через дно промежуточного ковша бы­вает невысока ввиду слияния пузырей в непрерывную струю и соответствен­ного уменьшения поверхности кон­такта газ—металл. В то же время чрез­вычайно интенсивное перемешивание может вызвать разобщение, разруше­ние образовавшихся ранее скоплений, конгломератов включений и тем са­мым ухудшить процесс их удаления. При чрезмерно интенсивном переме­шивании ванны в металл могут «затя­гиваться» частички шлака; при этом содержание включений не уменьшает­ся, а увеличивается. Кроме того, мо­жет иметь место ускорение процесса эрозии огнеупоров; соответственно возрастает содержание в металле так­же и экзогенных включений. На прак­тике для каждого конкретного случая существует оптимальная интенсив­ность перемешивания, при которой обеспечивается всплывание включе­ний. В этих случаях эффективность флотации проявляется очень четко. Так, например, применение вращаю­щейся фурмы для подачи инертного газа в металл в промежуточном ковше создает более равномерное распреде­ление по объему ванны очень мелких пузырей, которые эффективно удаля­ют включения (рис. 20.1). Путем срав­нения результатов, полученных при обычной продувке снизу и при ис-



Рис. 20.1. Схема вращающейся фурмы для создания микропузырей, усиливающих отде­ление включений:

1 — двигатель; 2 — фурма; 3— привод; 4— вращаю­щееся соединение; 5 —пористая пробка
пользовании вращающейся фурмы, при обработке низкоуглеродистой раскисленной стали было установле­но, что количество включений разме­ром <50 мкм при использовании вра­щающейся фурмы было значительно снижено. Это проявилось также в су­щественном уменьшении количества внутренних и поверхностных дефек­тов. Помимо отмеченного важно орга­низовать технологию так, чтобы всплывающее включение в момент со­прикосновения со шлаком успело им ассимилироваться прежде, чем нисхо­дящие потоки металла увлекут его опять вниз. Скорость «захватывания» шлаком включения зависит от многих факторов, в том числе от межфазного натяжения на границе шлак—включе­ние о_ш__вкл. Чем меньше эта величина, т. е. чем лучше смачиваемость включе­ния шлаком, тем легче идет процесс ассимиляции включений шлаком. Та­ким образом, чем больше ст_м._вкл, тем легче включение отделяется от метал­ла и чем меньше величина _ш__вкл, тем легче включение ассимилируется шла­ком. Скорость удаления включений из металла в шлак зависит также от пло­щади поверхности контакта (отноше­ния поверхности шлак—металл к массе металла), степени перемешивания ванны, физических свойств шлака и др. В случае же фильтрации металла от неметаллических включений жид­кий металл контактирует с твердыми поверхностями керамических перего­родок, фильтров и т. п. Условия выде­ления включений из металла при этом существенно изменяются. Если при гомогенном зарождении новой фазы радиусом rувеличение свободной энергии определяется как ΔG'= S '= 4 /_вкл__м (где S '— поверхность раз­дела металл—включение), то при за­рождении включений на готовой по­верхности

ΔG''_поe=S' + S'' =

⁼ S'_м-вкл +S " (_{пов-вкл} - _пов-м )>

где S'—площадь раздела металл—включе­ние; S"— площадь готовой поверхности, т. е. подложки, на которой выделяется включе­ние; _м._вкл, о _ов._вкл и _пов._м — межфазные на­тяжения на границе металл—включение, включение-готовая поверхность и металл-готовая поверхность.

Межфазное натяжение _пов._м на границе металла с готовой поверхнос­тью обычно выше межфазного натя­жения _пов__вкл на границе включения с готовой поверхностью (обычно оксид­ной частицей), т.е. _{пов-вкл} < _пов-м, поэтому выражение S"{ _пов._вкл - _пов-м) отрицательно, и в целом ΔG''_пов < ΔG", т. е. при прочих равных условиях об­разование зародышей на готовой по­верхности энергетически более веро­ятно. Чем меньше угол смачивания 0 (рис. 20.2), тем благоприятнее условия для выделения новой фазы, тем мень­ше пересыщения требуется. На это за­мечание следует обратить внимание. Смысл его состоит в следующем. При гомогенном зарождении велика роль межфазного натяжения а_м._вкл, поэто­му преимущественно выделяются включения, хорошо смачиваемые ме­таллом (типа FeO, MnO). В случае ге-



Рис. 20.2. Схема выделения зародыша крити­ческого радиуса на готовой поверхности (а) и в объеме расплава (б)

терогенного зарождения (при наличии готовых поверхностей) преимуще­ственно могут выделяться вещества, имеющие небольшие значения меж­фазного натяжения (капиллярно-ак­тивные) на границе с данной готовой поверхностью, веще­ства, имеющие более близкое ориен-тационное соответствие к имеющейся подложке (например, А1₂О₃).

Считается, что концентрация взве­си в жидкой стали может составлять 10⁶ — 10⁸ частиц/см³. Чем меньше сте­пень пересыщения, тем выше роль го­товых поверхностей.

Таким образом, флотация и фильт­рация включений при обработке ме­талла в промежуточном ковше опреде­ляются рядом одновременно действу­ющих факторов: 1) размерами включе­ний, их составом (и температурой плавления) и плотностью; 2) способ­ностью включений к укрупнению; 3) межфазным натяжением на грани­цах металл—включение и шлак—вклю­чение; 4) интенсивностью перемеши­вания ванны и характером движения металла; 5) физическими характерис­тиками металла и шлака (состав, тем­пература, вязкость); 6) физическими характеристиками и составом контак­тирующей с перемешиваемым метал­лом твердой поверхности футеровки ковша, перегородок, фильтровальных отверстий и т. д.

Руководствуясь общими соображе­ниями, в каждом конкретном случае на практике определяют рациональ­ные способы снижения содержания включений, а также перевода включе­ний в такое состояние, при котором их вредное влияние на свойства метал­ла было бы минимальным.

Расширение масштабов использо­вания методов флотации и 'фильтра­ции стали происходило параллельно расширению масштабов непрерывной разливки стали. В начале 80-х годов минувшего века при строительстве но­вых и реконструкции действующих УНРС все в большей мере стали вне­дрять новые методы внепечной обра­ботки стали. В промежуточных ков­шах повсеместно начинают устанавли­вать перегородки, обеспечивающие лучшее рафинирование металла от не­металлических включений.

Исследованиями установлено, что содержание неметаллических включе­ний в металле уменьшается, если сталь разливать через промежуточный ковш с перегородкой, и включений остается еще меньше, если использовать про­межуточный ковш с двумя перегород­ками. Исследования механических свойств готового проката показали аналогичное распределение результа­тов в зависимости от числа перегоро­док в промежуточном ковше. Полу­ченные сведения о влиянии конструк­ции и вместимости промежуточного ковша на качество готовой стали при­вели к существенным изменениям на производстве.

В качестве примера можно привес­ти конструкцию промежуточного ков­ша на одном из японских заводов. В ковше установили достигающие дна перфорированные перегородки из огнеупора, содержащего 65 % А1₂О₃. Подбором оптимального числа и раз­меров отверстий в перегородках уда­лось ускорить всплытие неметалли­ческих включений. Над удлиненным сталеразливочным стаканом в проме­жуточном ковше устанавливают дос­тигающую дна трубу с отверстиями, предназначенную для улавливания включений А1₂О₃ и предотвращения зарастания стакана. На другом заводе в промежуточном ковше был оборудо­ван ряд перегородок, часть которых имела сквозные горизонтальные кана­лы. На участке промежуточного ковша под зоной подачи металла из разли­вочного ковша были оборудованы по­ристые пробки для продувки металла аргоном снизу. Сверху промежуточ­ный ковш закрывали крышкой с тща­тельным уплотнением всех соедине­ний. Металл из разливочного ковша подавали через удлиненный стакан с аргоновым уплотнением. В результате не только не происходило обычно на­блюдаемого увеличения содержания азота в металле, но и, напротив, был обнаружен эффект деазотирования.

В связи с расширяющейся практи­кой использования для рафинирова­ния металла в промежуточных ковшах УНРС различных устройств для филь­трации включений возникла проблема определения основных требований к материалу фильтров и их классифика-